發(fā)展空間科學是建設世界科技強國的重要途徑*

吳 季

中國科學院國家空間科學中心 北京 100190

發(fā)展空間科學是建設世界科技強國的重要途徑*

吳 季

中國科學院國家空間科學中心 北京 100190

習近平總書記在 2016 年提出了建設世界科技強國“三步走”的戰(zhàn)略，為我們設立了宏偉的目標。要想實現(xiàn)這個目標，我們國家在前沿基礎研究領域就必須加大投入，實現(xiàn)重大突破。長期以來，作為發(fā)展中國家，我國在空間科技領域的投入，大都用于應用衛(wèi)星，比如氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星等，而在空間科學衛(wèi)星領域少有投入。縱觀世界科技發(fā)展，重大基礎前沿的突破逐漸依賴于國家重大科技工程，其一是建設地面大科學裝置，如加速器、大型天文望遠鏡等；其二就是在空間科學領域里的投入，發(fā)射科學衛(wèi)星。1957年以來美國等航天強國在空間科學領域里多次獲得諾貝爾獎就充分說明了這一領域在實現(xiàn)基礎前沿領域重大突破的作用。由此可見，發(fā)展空間科學是建設世界科技強國的一個非常重要的方面和實現(xiàn)途徑。

空間科學，世界科技強國，國家需求

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.05.009

黨的“十八大”以來，以習近平同志為核心的黨中央總攬改革發(fā)展全局，綜合分析國內(nèi)外大勢，把科技創(chuàng)新擺在國家發(fā)展全局的核心位置。2016 年 5 月 30 日，全國科技創(chuàng)新大會、中科院第十八次院士大會和中國工程院第十三次院士大會、中國科學技術協(xié)會第九次全國代表大會（簡稱“科技三會”）召開，習近平總書記向全黨全國發(fā)出建設世界科技強國的號召，在“為建設世界科技強國而奮斗”的重要講話中，他強調(diào)：“必須推動空間科學、空間技術、空間應用全面發(fā)展”[1]。這讓我們深刻認識到發(fā)展空間科學是建設世界科技強國的重要途徑。

1 我國發(fā)展空間科學的歷史機遇

自1956 年創(chuàng)建以來，中國航天事業(yè)已經(jīng)走過了 60 多年的光輝歷程。2001 年，中國政府首次發(fā)布《中國的航天》白皮書，將中國的航天活動分為三大主題：空間技術、空間應用和空間科學[2]。中國航天事業(yè)是在基礎工業(yè)比較薄弱、科技水平相對落后和特殊的國情、特定的歷史條件下發(fā)展起來的，因此，必須優(yōu)先發(fā)展空間技術，形成進入空間的能力，建立國防航天工業(yè)體系，以保障國家獨立自主和國家安全；同時發(fā)展通信、導航、遙感等多種衛(wèi)星應用系統(tǒng)，建設國家民用空間基礎設施，保障經(jīng)濟發(fā)展，服務社會民生。經(jīng)過 50 多年的發(fā)展，我國在空間技術、空間應用方面已取得了顯著的進步，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。然而，隨著國家發(fā)展進入新的歷史階段，長期以來形成“重技術、輕科學”的慣性，造成了我國“既是航天大國，又是空間科學小國”的尷尬現(xiàn)狀，也越來越與當前國家創(chuàng)新驅動發(fā)展和建設科技強國的需求不相適應。

習近平總書記在“科技三會”上“必須推動空間科學、空間技術、空間應用全面發(fā)展”的重要論述，是建立在總結世界各國科技發(fā)展歷史和對當前國內(nèi)外發(fā)展形勢進行深入分析的基礎上的。中國最高領導人首次對空間科學與空間技術和空間應用之間關系給出了指導性的原則。該論述將空間科學的重要性提高到了一個前所未有的高度，是習近平同志以歷史縱深和全球視野，從時代發(fā)展前沿和國家戰(zhàn)略高度，提出的新理念、新思想、新戰(zhàn)略。我們必須從創(chuàng)新驅動發(fā)展的戰(zhàn)略高度，結合建設世界科技強國的目標，進行深刻理解。

2 基礎研究突破是增強我國原始創(chuàng)新能力的重要源頭

自主創(chuàng)新可以分為原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進消化吸收再創(chuàng)新。后兩者都是在人家的版圖上找路子，最終擺脫不了跟蹤的窠臼，只有原始創(chuàng)新才是科學技術的源頭創(chuàng)新。而基礎科學研究則又是提升自主創(chuàng)新能力、實現(xiàn)原始創(chuàng)新的根本源頭。

基礎科學領域前沿的突破成為人類知識大爆發(fā)的引信。兩次科學革命引發(fā)的工業(yè)革命和技術革命，極大提高了人類認識自然、利用自然的能力和社會生產(chǎn)力水平。一些國家抓住科技革命的難得機遇，如16 世紀的意大利、17 世紀的英國、18 世紀的法國、19 世紀的德國以及 20 世紀的美國等，都在基礎研究突破的帶動下，實現(xiàn)了科技實力、經(jīng)濟實力、國防實力的迅速增強，從而使得綜合國力得到快速提升。

基礎研究是整個科學體系的源頭，也是撬動所有技術問題的總機關、裝備發(fā)展的原動力[3]。世界科技強國無不高度重視，將其作為國家科技實力的根基。大部分科學知識可以獲得，而研究發(fā)現(xiàn)能力卻不可替代?；A研究所體現(xiàn)的追根求源、探索真理、創(chuàng)新思維以及科學精神和科學方法的傳播滲透，是國家和民族文明程度的體現(xiàn)和永續(xù)發(fā)展的基礎。從科技發(fā)展歷史來看，凡是擁有基礎理論突破能力的國家，其利用該理論推動技術創(chuàng)新的能力也一定是領先的。當前，作為碩果僅存的超級大國，美國在科技方面仍保有壓倒性的優(yōu)勢和先進性，其根本原因與美國囊括了全世界 70% 的諾貝爾獎得主恐怕不無關系[4]。從這個意義上說，基礎研究水平和創(chuàng)新能力是一個國家科技實力和綜合國力的重要標志。

一個在基礎科學新知識方面依賴于他人的民族，即使一時出現(xiàn)了快速的經(jīng)濟發(fā)展，從長期看也不能在國際競爭中處于領先優(yōu)勢。中華民族在歷史上為人類文明進步作出過重要貢獻，但是近代中國的科技發(fā)展落后了，現(xiàn)代自然科學的基本原理絕大多數(shù)來自于西方；現(xiàn)代基礎科學所有重大發(fā)現(xiàn)和突破中，幾乎沒有中國人做出的。在相當程度上，中國僅是現(xiàn)代科學知識的使用國而非生產(chǎn)國。當前，我國雖然已經(jīng)成為具有重要影響力的經(jīng)濟大國，科技創(chuàng)新對經(jīng)濟社會發(fā)展的支撐和引領作用也日益增強。但是，我國科技基礎仍然薄弱，表現(xiàn)在科技創(chuàng)新能力特別是原創(chuàng)能力與科技強國還有很大差距，因此跟蹤式的研究多，領跑原創(chuàng)成果少，導致一些關鍵領域的核心技術被發(fā)達國家封鎖，受制于人的格局沒有從根本上改變，也還沒有在基礎前沿領域實現(xiàn)重大突破……這些問題的根源均在于基礎研究投入不足[5]。

重大原創(chuàng)成果是各國競相搶占的戰(zhàn)略高地，是世界科技強國的鮮明標志。我國要建設世界科技強國，就必須從源頭抓起，夯實科技基礎，在基礎前沿領域躋身世界領先行列。

3 空間科學是基礎科學前沿實現(xiàn)突破的重要平臺

當今世界，新一輪科技革命蓄勢待發(fā)，物質(zhì)結構、宇宙演化、生命起源、意識本質(zhì)等一些重大科學問題的原創(chuàng)性突破正在開辟新的科學前沿[6]。

Science 雜志在慶祝其創(chuàng)刊 125 周年之際，公布了125 個最具挑戰(zhàn)性的科學問題[7]，其中主要涉及：宇宙由什么構成？地球人類在宇宙中是否獨一無二？地球生命在何處產(chǎn)生、如何產(chǎn)生？宇宙是否唯一？是什么驅動宇宙膨脹？第一顆恒星與星系何時產(chǎn)生、怎樣產(chǎn)生？超高能宇宙射線來自何處？是什么給類星體提供動力？黑洞的本質(zhì)是什么？太陽系的其他星球上現(xiàn)在和過去是否存在生命？……

上述這些問題中很多都依賴于空間科學探索。愛因斯坦曾指出：“未來科學的發(fā)展無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進軍”?？臻g科學的研究對象包括宇宙、生命、暗物質(zhì)、引力波、太陽的活動規(guī)律和地球系統(tǒng)的演化等，占據(jù)著宏觀和微觀兩大前沿，當代科學發(fā)展的歷史已充分證明，大量科學發(fā)現(xiàn)和進展來自于對宇宙和太空的探索。

從 20 世紀中后期以來，基礎研究在“好奇心導向”的自由探索基礎上有了顯著發(fā)展，“雙力驅動”特征凸顯，即以認識客觀世界基本規(guī)律為驅動的自由探索和以國家經(jīng)濟社會發(fā)展和國家安全需求為驅動的定向基礎研究相結合的雙重驅動。尤為值得關注的是，在過去的幾十年中，體現(xiàn)國家意志、具有特定科技目標、由政府組織優(yōu)勢力量、依賴團隊和大科學平臺的定向基礎研究取得重大突破的成功幾率不斷提高，所占比重越來越大，已成為世界科學事業(yè)發(fā)展的關鍵部分，同時推動了科學和技術的飛速發(fā)展，并對國家經(jīng)濟社會發(fā)展和人類本身帶來了重大而深遠的影響。典型的實例如美國的空間科學計劃——哈勃太空望遠鏡等，和地面大科學裝置——激光干涉引力波天文臺（LIGO）等。

開展有組織的、定向的基礎研究，一是建設地面上的大科學裝置以開展研究，包括探索微觀粒子的加速器、對撞機、中微子探測器等以及探尋宏觀宇宙的天文臺、望遠鏡等；二是發(fā)射空間科學衛(wèi)星及空間實驗平臺以開展研究。作為人類 1957 年進入太空后正式誕生的“新”基礎科學，空間科學覆蓋了宏觀和微觀兩大前沿，涉及太陽系起源和演化規(guī)律、地球系統(tǒng)全球變化、生命起源和地外生命探索、人類生命離開地球能否生存、地球之外是否有生命（包括智慧生命）、太陽大爆發(fā)是否會威脅人類的生存、地球系統(tǒng)在人類活動逐漸增強的情況下將怎樣演化等基本和重大基礎前沿科學問題[8]?？臻g科學以空間飛行器（科學衛(wèi)星等）為主要平臺，有望實現(xiàn)重大原始創(chuàng)新，甚至引發(fā)重大基礎性的變革，成為人類認知自然并獲取新知識的重要源泉，也是今后實現(xiàn)基礎前沿突破最佳平臺之一。自1957 年以來，空間科學領域獲 11 次諾貝爾獎，其中 7 次是基于大科學裝置或科學衛(wèi)星所取得的科學成就，2002 年和 2006 年的諾貝爾物理學獎授予了基于錢德拉 X 射線天文臺衛(wèi)星和宇宙背景探測者（COBE）衛(wèi)星做出重大發(fā)現(xiàn)和原始突破的3位空間科學家。

4 空間科學的重要牽引帶動作用

我國的空間技術發(fā)展早期是靠國防建設需求拉動的。這種拉動效果一直比較明顯，但其相對比較單調(diào)，比如主要是強調(diào)空間分辨率的提高。如果沒有空間科學研究項目全面、多樣化的拉動，應用項目就會逐漸傾向于重復生產(chǎn)、平臺型譜化、分系統(tǒng)設備共用化以及生產(chǎn)過程和零配件的標準化等，這些做法從本質(zhì)上講，對技術發(fā)展是限制的，對創(chuàng)新是遏制的。

科學發(fā)現(xiàn)“只有第一，沒有第二”，每一項空間科學任務都不重復?？臻g科學“千奇百怪”而又從不重復的技術需求使得每項空間科學計劃都是非重復性、非生產(chǎn)性的，包含了大量新需求、新思路、新設計、新材料、新工藝等，成為原始創(chuàng)新的重要驅動力[9]。因此對前沿技術及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有顯著的牽引和帶動作用。例如，飛行器軌道設計，星際航行能源和推進，超高時空基準，超高分辨率遙感器及其對平臺穩(wěn)定和指向精度提出的高要求，超高靈敏度所帶來的對深冷低溫的要求，超輕、超薄新型元器件以及有效載荷超高指標設計實現(xiàn)等。

空間領域前沿技術的轉移轉化還能引領戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。例如：星際自主導航、新一代信息技術（保密通信、新型傳感器、新型元器件、太空互聯(lián)網(wǎng)）、新能源、新材料、高端裝備制造、生物醫(yī)藥等?？茖W衛(wèi)星創(chuàng)新的有效載荷技術、衛(wèi)星平臺及載荷一體化技術、面向未來深空探測的電動太陽能帆（e-sail）技術等都將極大地牽引帶動空間技術的原始創(chuàng)新，其中的若干顛覆性技術已成為航天強國利用和控制空間的新“殺手锏”，在國家空間安全領域形成了新的、強大的、以科技能力為支撐的戰(zhàn)略威懾力。2005 年美國“深度撞擊”探測器經(jīng)過 4.31 億公里飛行，在距地球 1.5 億公里處成功擊中了“坦普爾”彗星，其控制精度等同于“從 130 公里外準確命中一只蒼蠅的眼睛”，為美國空間安全帶來不可估量的戰(zhàn)略威懾作用。

由空間科學計劃的特殊需求帶來的技術創(chuàng)新可直接輻射到人類生活的方方面面。美國國家航空航天局（NASA）每年轉移轉化 1 600 項新技術，每項科技成果的轉移轉化平均每年能帶來 100 萬美元經(jīng)濟效益；歐盟的空間計劃在確保歐洲安全與經(jīng)濟繁榮方面也發(fā)揮著關鍵的作用，被稱為“財富的發(fā)電機”和“保持全球競爭力的支柱”?？梢妼臻g科學與探索的投入，除了知識所帶來的潛在產(chǎn)出以外，也會有顯著的經(jīng)濟和社會效益?？臻g科學為產(chǎn)業(yè)技術進步提供了源頭供給，能夠引領戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級。這些新的技術突破，可以不斷地向應用轉化。美國哈勃望遠鏡帶動發(fā)展起來的 CCD 成像技術，以及用于深空探索的 CMOS 成像技術，均已成為我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚暮诵牟考?/p>

5 高度發(fā)展的空間科學是世界科技強國的重要標志

世界科技強國均意識到了發(fā)展空間科學與前沿技術的重要戰(zhàn)略意義，在其國家戰(zhàn)略中均不斷制定空間科學規(guī)劃，明確提出具體任務計劃；并提升其在空間科學領域的創(chuàng)新能力，滿足國家重大戰(zhàn)略需求，搶占科技創(chuàng)新制高點。

美國是現(xiàn)在世界上最大的經(jīng)濟體，擁有強大的經(jīng)濟實力和軍事實力，同時，美國也是世界科技強國。如果說“星球大戰(zhàn)”“國際空間站”等航天任務還帶有冷戰(zhàn)的直接政治軍事競爭濃厚色彩的話，美國后來實施的一系列空間科學探索計劃，如以“勇氣號”“機遇號”為代表的火星探索任務，“哈勃空間望遠鏡”“太陽與日球層觀測衛(wèi)星”等為代表的多個空間天文臺等，均在科學探索等領域取得了舉世矚目的成就，為人類探索太空作出了巨大的貢獻?？梢哉f，這些空間科學計劃取得的前無古人的科學成就，對于凸顯并鞏固美國強大的科技實力，起到了不可估量的重要作用。

歐洲作為另一個擁有強大世界科技實力的地區(qū)，其空間科學也得到了高度發(fā)展。2014 年，歐洲的羅塞塔（Rosetta）探測器搭載的“菲萊”（Philae）著陸器在彗星“丘留莫夫·格拉西緬科”（67P）上成功登陸，實現(xiàn)了人類探測器首次登陸彗星；普朗克（Planck）衛(wèi)星更精確地測繪了宇宙微波背景輻射，有力地支持了宇宙大爆炸模型；此外，其研制的國際空間站哥倫布艙在微重力和空間生命等領域取得了眾多科學成果等。

我們的近鄰日本，至今已發(fā)射了近 30 顆科學衛(wèi)星和太陽系統(tǒng)探測器，例如，“隼鳥”號探測器于 2010 年實現(xiàn)了人類探測器首次在月球之外的小行星著陸并采樣返回地球。日本在空間科學探索方面取得了世界領先的成果，并2次在基礎科學前沿領域獲得諾貝爾獎。

在自主空間科學計劃較少的前提下，我國科學家利用國外科學衛(wèi)星的數(shù)據(jù)也取得了大量的基礎研究成果。但由于這些對我們開放的數(shù)據(jù)已經(jīng)是比較滯后的數(shù)據(jù)，我們即使取得了一些成果，其影響度也不能和第一手數(shù)據(jù)相比。因此，我國目前在空間科學領域尚無國際同行公認的重大成就。主要原因是我國長期沒有自己的空間科學計劃，空間科學活動規(guī)模小、投入低[10]。

在“十二五”期間，中科院實施了空間科學先導專項，發(fā)射了系列科學衛(wèi)星，其中暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（“悟空”號）和量子科學實驗衛(wèi)星（“墨子”號）正孕育重大原始創(chuàng)新突破。我國空間科學的動向引起了國際科學界的高度關注。Science 和 Nature 等國際頂級學術期刊 5 年來逾 10 次追蹤報道中國空間科學衛(wèi)星的重要進展：“中國發(fā)射衛(wèi)星加入探測暗物質(zhì)的空間科學競爭行列”“量子隱形傳輸?shù)木薮箫w躍”，并指出“中國將科學發(fā)現(xiàn)放到了其空間計劃的核心位置”，“凸顯了中國創(chuàng)新的廣度以及對于創(chuàng)新的承諾”[11]。這些新的進展表明我國的空間科學已經(jīng)進入了一個新的發(fā)展階段。只要國家繼續(xù)給予大力支持，相信我國的空間科學家一定能夠在基礎前沿領域不斷做出重大的突破。

6 結束語

建設世界科技強國，是黨中央在新的歷史起點上作出的重大戰(zhàn)略抉擇。這一重大決策與實現(xiàn)中華民族偉大復興中國夢的目標高度契合，符合建設社會主義現(xiàn)代化強國的理論邏輯和歷史邏輯，體現(xiàn)了黨中央對國家發(fā)展和民族未來的歷史宣示，體現(xiàn)了強大的道路自信和時代擔當。

空間科學具有很強的戰(zhàn)略性和前沿性，是實現(xiàn)基礎研究突破的最佳平臺，從而也是提升自主創(chuàng)新能力、實現(xiàn)原始創(chuàng)新的重要源頭。通過實施空間科學計劃，不斷取得基礎性、戰(zhàn)略性、原創(chuàng)性的重大成果，從而夯實科技基礎，牽引帶動關鍵領域突破核心技術，改變我國科技大而不強的格局，推動整體科技實力的綜合提升，成為建設世界科技強國的新引擎和新標志。

1 習近平. 為建設世界科技強國而奮斗——在全國科技創(chuàng)新大會、兩院院士大會、中國科協(xié)第九次全國代表大會上的講話. 北京: 人民出版社, 2016.

2 中華人民共和國國務院新聞辦公室. 2001年中國的航天. 北京: 人民出版社, 2001.

3 中共中央文獻研究室. 習近平關于科技創(chuàng)新論述摘編. 北京: 中央文獻出版社, 2016.

4 石海明. 科學、冷戰(zhàn)與國家安全——美國外空政策變革背后的政治（1957—1961）. 北京: 解放軍出版社, 2015.

5 中國科學院空間領域戰(zhàn)略研究組. 中國至2050年空間科技發(fā)展路線圖. 北京: 科學出版社, 2009.

6 中共中央, 國務院. 國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略綱要. 北京: 人民出版社, 2016.

7 Kennedy D. 125. Science, 2005, 309(5731): 19.

8 顧逸東. 我國空間科學發(fā)展的挑戰(zhàn)和機遇. 中國科學院院刊, 2014, 29(5): 575-582.

9 吳季. 空間科學——我國創(chuàng)新驅動發(fā)展的重要陣地.中國科學院院刊, 2014, 29(5): 583-589.

10 中國科學院. 科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇. 北京: 科學出版社, 2013. 167-181.

11 Biever C. Science stars of China. Nature, 2016, 534: 456-457.

Development of Space Science Is One of the Most Important Means for Building up the World Power in Science and Technology

Wu Ji
（National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）

In May last year, President Xi Jinping has established a three-step national goal for China, i.e., in about 2050, China should become a world power in science and technology. To realize this goal, breakthroughs in the area of fundamental research are crucial. However, for a long time, as a developing country, China's national efforts have focused on applied objectives only. In the case of space developments, application satellites for weather forecast and telecommunications have been given more attention. Space science had much less chance to have its own satellite. Scientists have been using data from the science satellites of other countries, such as NASA and ESA. With the call from President Xi, we are facing a totally different situation now. To have breakthroughs in the area of fundamental research became an ever been national demand. To achieve this goal, two aspects need more governmental investments. One is the ground based large scientific instruments, such as cyclotrons or large telescopes. The other is the space science satellites. Compared with other application satellites, space science satellite has much more variable requirements for technology. In summary, to have a developed space science program and fruitful achievements on fundamental research are certainly symbolic and important means for building up a world power in science and technology.

space science, world power on science and technology, national demands

eceived B.S. and M.S. degrees from Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, China, and, Ph.D. degree from Technical University of Denmark, Copenhagen, Denmark, in 1993. His current research interests include microwave interfeometric radiometers (MIR), multi-satellite space distributed exploration technology. From 1985 to 1986, he was with European Space Research and Technology Centre (ESTEC), Noordwijk, the Netherland, as a United Nations Research Fellow, where he worked on contoured beam satellite antenna design. From 1986 to 1989, he was with the Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, China, where he worked on antenna theory and design. Since 1996, he has been a Full Professor with the CAS Key Laboratory of Microwave Remote Sensing, National Space Science Center (NSSC), Chinese Academy of Sciences (CAS), Beijing, China. From 1996 to 2000, he, as a visiting professor, had visited several universities in the US, including the University of Massachusetts at Amherst, the University of Texas at Arlington, and the Massachusetts Institute of Technology (MIT). He is currently the director general of NSSC. He was the chief designer of ground application system of Double Star Program, project manager of payload sub-system of CE-1, CE-2, and CE-3, chief scientist of YH-1 mission. Currently he is the chief scientist and project leader of Strategic Priority Program on Space Science of CAS. Dr. Wu Ji is the vice president of Committee for space research (COPSAR), fellow of the IEEE Geoscience and Remote Sensing Society, and full member of International Astronautics Academy. E-mail: wuji@nssc.ac.cn

*修改稿收到日期：2017年4月22日

吳 季 中科院國家空間科學中心主任，研究員，中國空間科學學會理事長，國際空間研究委員會（COSPAR）副主席，國際宇航科學院（IAA）院士，IEEE會員，中科院“空間科學先導專項”負責人。 曾任地球空間“雙星計劃”應用系統(tǒng)總設計師、“螢火一號”火星探測器首席科學家、“嫦娥”1、2、3號科學探測有效載荷總指揮等。主要研究領域包括：分布式空間探測技術、微波輻射干涉成像技術，以及空間科學與技術發(fā)展戰(zhàn)略和政策研究。E-mail: wuji@nssc.ac.cn