建設國際領先的大科學裝置奠定科技強國的基礎

王貽芳

中國科學院高能物理研究所 北京 100049

建設國際領先的大科學裝置奠定科技強國的基礎

王貽芳

中國科學院高能物理研究所 北京 100049

基礎科學研究的能力建設及大科學裝置對我們獲得世界領先的科學成果、發(fā)展引領世界的關鍵技術、培養(yǎng)在科學上和技術上全面發(fā)展的人才具有極為重要的意義，對國家的未來發(fā)展是必不可少的。文章討論了建設引領世界的大科學裝置的必要性，目前存在的一些問題，及解決問題的一些建議。

基礎科學，大科學裝置，國際合作，科技強國

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.05.006

中華民族的偉大復興，離不開科技。而“兩個一百年”的宏偉目標，呼喚我們的科學技術事業(yè)應有一個重大跨越。2013 年 7月17日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平到中科院考察工作，并對中科院未來發(fā)展提出了“四個率先”的更高要求。中科院為此提出了“率先行動”計劃，要建設世界一流的科研機構，取得世界一流的科研成果。實現(xiàn)這些目標和要求，離不開基礎能力建設。能力提高了，出成果是水到渠成的事。能力不強，即使偶爾能出一些重大成果，也不能持久，更不能使我們長期處于領先地位。

1 大科學裝置建設是國家基礎能力建設的重要組成部分

基礎能力建設的一個重要方面是重大基礎科學設施，有時也稱大科學裝置。一般而言大科學裝置可以分為三類：（1）基礎科學專用裝置。比如我國的正負電子對撞機，聚變堆、專用空間科學衛(wèi)星、天文望遠鏡等。這類裝置具有特定的科學目標，是開展科學研究必不可少的手段。（2）應用型公共平臺。比如同步輻射與自由電子激光裝置、散裂中子源等。這類裝置的技術大部分來源于基礎科學專用裝置，如用于高能物理中的加速器等，為凝聚態(tài)物理、材料、環(huán)境、地質、生物等各方面的研究提供手段。（3）公益性服務設施。比如授時臺、衛(wèi)星地面站等，為社會上的各方面需求提供保障。

大科學裝置的一個關鍵特點就是其主要設備應該是自行研制的。用買來的通用設備也可以堆砌成一個大的科學裝置，但不是我們這里要討論的范疇，也不是國家應該大力推進和發(fā)展的，以下討論對此忽略。

大科學裝置科學目標明確，應用范圍廣泛，投入規(guī)模大，技術先進，可以產出重大成果，對學科發(fā)展具有重大的引領和帶動作用，還有一些溢出效應如重大技術的積累、突破和推廣應用，國際合作與技術引進，關鍵技術人才的培養(yǎng)，企業(yè)技術水平與研發(fā)能力的提高等，因此在國家創(chuàng)新體系的建設中占有突出的位置。最近國家批準建設的北京和上海兩個科創(chuàng)中心，大科學裝置均是其中的核心。黨的十八屆五中全會十分適時地提出了未來一段時期我國科技事業(yè)的三項重大任務：“實施一批國家重大科技項目，在重大創(chuàng)新領域組建一批國家實驗室，積極提出并牽頭組織國際大科學計劃和大科學工程?！边@表明了國家對這個問題的充分認識，實際上也指出了未來發(fā)展的路徑。

2 國內外大科學裝置建設的現(xiàn)狀

從國際上來看，發(fā)達國家在“二戰(zhàn)”以后均投入巨資，建設各類大科學裝置，像大家熟知的哈勃望遠鏡、歐洲核子中心的大型強子對撞機、美國的引力波實驗裝置（LIGO）、日本的超級神岡中微子探測器等。這些高達幾十億美元的投資，帶來了科學上的豐碩回報，包括近年來大家獲悉的希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)、引力波的發(fā)現(xiàn)等。同時這些裝置也引領了技術的發(fā)展，一個最著名的例子是歐洲核子中心為解決科學家之間的數(shù)據(jù)共享問題而發(fā)明的萬維網，發(fā)明者蒂姆·伯納斯·李最近剛剛獲得圖靈獎。國際上對大科學裝置的投入產出比有一些研究，比如用于高能物理研究的大型加速器類裝置，一般公認在大約 1: 3 左右[1-4]，即投入 1 元，產出 3 元。

在國內，自 20 世紀 80 年代末的北京正負電子對撞機開始，我們建成了一系列大科學裝置，獲得了一些具有重大國際影響的科學成果。這些裝置的建設，使我們在科學與技術上大大縮小了與國外的差距，從完全學習，到能夠自主研制，并在某些方面能并駕齊驅，甚至一定程度的領先。圍繞這些裝置，也建成了一些科學與技術中心，發(fā)揮了輻射、示范、引領及推動作用，并且成為極為重要的人才培養(yǎng)基地。但與發(fā)達國家相比，整體上我國的大科學裝置還處于追趕階段，技術上原創(chuàng)不多，規(guī)模上只有發(fā)達國家的十分之一，重大科學成果還不是太多。

3 我國大科學裝置建設路向何方？

由于大科學裝置經費規(guī)模大，技術復雜，國內外均有一些不太成功的先例，可以說是高風險、高收益。這就使得一些大科學裝置常常成為大家關注的焦點，圍繞其立項、設計、建設也有一些異議。特別是如果我們想要趕上世界先進水平，達到甚至超過發(fā)達國家目前的投資水平和技術水平的時候，這種議論尤其激烈。特別是大科學裝置從規(guī)劃、設計、建設直到使用常常需要二三十年，因此為了實現(xiàn)“兩個一百年”目標，我們必須從現(xiàn)在開始研討：我國未來大科學裝置的目標是什么？是否為國際領先？如何建設國際領先的大科學裝置？過去都有哪些成功經驗、問題與教訓？應該規(guī)劃建設哪些大科學裝置？能有哪些重大成果和技術突破？能否達到國際領先的目標？建成后在科學界的地位是什么？為更好地規(guī)劃、設計、建設我國的大科學裝置，避免過去的一些問題，更好地實現(xiàn)“兩個一百年”的宏偉目標，下面提一些粗淺建議，希望能拋磚引玉，吸引更多的有識之士參加討論。

建設大型科學裝置，首要一條是項目的規(guī)劃與選擇。首先應承認與國際先進水平的差距，無論是在技術、經驗、人才、科學研究的整體水平上，還是在投入和風險意識上。在此基礎上要尋找突破口：從哪里突破？是要一步追求國際領先還是先穩(wěn)妥地建設國內基礎？什么樣的投資規(guī)模是合適的？純基礎科學的項目值得嗎？我們愿意承受多大的風險？怎樣尋找投資規(guī)模合適（不太大）、技術上可行又有重大科學意義的項目？這樣的項目存在嗎（是否早被別人干完了）？應該說肯定沒有人能給出標準答案，每個領域、每個項目的基礎、條件、環(huán)境都不一樣，回答這些問題的側重點就不會一樣。因為我們是后來者，有優(yōu)勢也有劣勢。優(yōu)勢是前面有榜樣，技術、失誤可以借鑒，裝置本身的建設可以比較容易成功；劣勢是科學上不容易找到一個空白點去領先，很容易沒有重大成果，只是技術、裝置上的少許改進與提高。事實上我們已經看到這樣的現(xiàn)象在國內存在。如果是平臺或公益型項目，還問題不大，如果是純基礎研究型的項目就會引起大家議論。其實這類問題在立項之初，如果把投資、技術、科學的關系理清楚，并經過充分討論的話，就不會引起歧義。問題是由于各種原因和利益糾葛，這往往會很難。世界各國其實都有類似的問題。解決的辦法是國際合作，不同國家的人一般沒有具體的利益糾葛。目前世界各國純基礎研究的大科學裝置，比如天文、高能物理等方面都要求有國際投入。世界各國科學家的全力投入、不同國家的評審程序、國際性的視野和評估使項目的重要性、可行性及成功的可能性大大提高，所有參與項目的人也會在國際平臺上得到鍛煉、檢驗和提高。建議有關部門將國際投入作為一個基本條件，來評估和實施基礎科學專用的大科學裝置，至少要使評審國際化。目前我們中科院高能物理所的基礎科學專用裝置，如高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）、江門中微子實驗（JUNO）及未來的空間宇宙線探測裝置（HERD）、環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）等都要求有約 10%—30% 的國際投入——不吸引人的項目是很難有國際投入的。

總體來說，目前我國大科學項目在規(guī)模上與發(fā)達國家相比，還有 10 倍以上的差距，在有些研究領域還是空白，未來我們應該很好地規(guī)劃并實施以下措施：（1）填補空白。主要是通過參加國外項目的方式，迅速達到國際前沿。（2）尋找空擋，開展有國外參與的國內項目，爭取“點”的領先。（3）發(fā)起國際大科學工程，再接再厲，逐步實現(xiàn)全面領先。作為一個科技強國，我們一定要在某些領域，能跟別人正面競爭，而不是總是尋找空擋。

為實現(xiàn)這些目標，建議：（1）加強對參與國外項目的支持；（2）加強國內項目的國際化；（3）培育能全面領先國際的領域和項目。

在大科學工程項目的建設上，自北京正負電子對撞機以來，中科院的科學家、工程師和管理人員積累了豐富的經驗和一整套管理體系，具有很強的針對性和可操作性。與發(fā)達國家相比，我們的體系更加實事求是，官僚主義更少，有更好的效率，更低的人員、設備和管理成本。我們不應妄自菲薄，老覺得自己不如別人。雖然技術積累較少，有經驗的技術人員不足，但我們有世界上最年輕、最有活力的一支隊伍，在有關項目的鍛煉下，很快就會超過國際上的同齡人。當然我們還存在很多不足，還需要繼續(xù)引進人才，填補空白，培育國內企業(yè)，發(fā)展和積累關鍵技術。相信只要我們有足夠的投入，有正確的項目，我們一定能走到世界最前列。

1 John Womersley. Impact of the Tevatron on Technology and Innovation. [2012-06-11]. http://www. fnal.gov/pub/tevatron/files/120611Womersely.pdf.

2 http://uchicago.edu/research/economic-impact.shtml.

3 野村綜合研究所: ILC的經濟波及效果. [2017-05-03]. http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/chousa/ shinkou/038/gaiyou/1357655.htm.

4 OECD. The Impacts of Large Research Infrastructures on Economic Innovation and on Society: Case Studies at CERN.[2017-05-06]. http://www.oecd.org/sti/scitech/CERN-case-studies.pdf.

王貽芳 中科院高能物理所所長，中科院院士，第三世界科學院院士，俄羅斯科學院外籍院士。獲基金委“杰出青年基金”，入選首批中組部“萬人計劃”杰出人才。獲國家自然科學獎一等獎、周光召基礎科學獎、何梁何利科技進步獎、潘諾夫斯基實驗粒子物理學獎、“日經亞洲獎”、基礎物理學突破獎、龐蒂科夫獎等。他領導了北京譜儀（B ESIII）實驗、大亞灣中微子實驗和江門中微子實驗。發(fā)表科學論文 300 余篇，主編著作 2 部，獲發(fā)明專利 2 項。E-mail: yfwang@ihep.ac.cn

Wang Yifang Director of the Institute of High Energy Physics (IHEP), Chinese Academy of Sciences (CAS). He led the design, construction and science effort of the BESIII experiment at the Beijing Electron-Positron Collider as the project manager and spokesperson. He initiated the Daya Bay reactor neutrino experiment in China and led its design, construction and science effort. He is now leading the JUNO experiment. He has published more than 300 papers and is a recipient of the Breakthrough Prize in Fundamental Physics, Panofsky Prize for Experimental Particle Physics, Pontecorvo Prize, the Nikkei Asia Prize for Science, Technology and Environment, and Zhou Guangzhao Foundation Award for Basic Sciences. He is an academician of CAS, member of the World Academy of Sciences for the Advancement of Science in Developing Countries, and a foreign member of Russian Academy of Sciences. E-mail: yfwang@ihep.ac.cn

Build World-leading Large Scientific Facilities, Lay Foudation for a Powerful Country in Science

Wang Yifang
（Instiute of High Energy Psysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

Building our capabilities on Basic Science research and large science facilities are extremely important for obtaining world-leading scientific results, developing world-leading key technologies, and cultivating world leaders on science and technology. It is fundamental for the country. This article discusses the necessity to construct world-leading large science facilities, the current issues, and the suggestions to solve them.

basic science, large science facilities, international collaboration, science and technology power

*修改稿收到日期：2017年5月8日