大科學(xué)裝置：科技強(qiáng)國(guó)之重器

劉朝暉

反物質(zhì)是不是真實(shí)存在？夸克能不能再被細(xì)分？宇宙中究竟還有沒(méi)有類(lèi)似地球的宜居星球？人類(lèi)能不能控制熱核聚變？面對(duì)大量動(dòng)植物進(jìn)入瀕危狀態(tài)，人類(lèi)能不能設(shè)法留住它們？……當(dāng)人類(lèi)已經(jīng)能夠?qū)⒆约核蜕显虑颍杂性S多基礎(chǔ)科學(xué)理論問(wèn)題亟須解決。

重大突破，科研儀器先行——從億萬(wàn)光年之外的宇宙星辰，到組成世界的基本粒子，科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新越來(lái)越離不開(kāi)功能強(qiáng)大的科研儀器，特別是大科學(xué)裝置，已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)諸多領(lǐng)域取得突破的必要條件。

作為重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，大科學(xué)裝置在提高我國(guó)自主創(chuàng)新能力方面占據(jù)重要地位。早在上個(gè)世紀(jì)80年代，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的建成就對(duì)我國(guó)高能物理的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。近些年，散裂中子源、強(qiáng)磁場(chǎng)裝置、同步輻射光源、大型天文望遠(yuǎn)鏡……一項(xiàng)項(xiàng)大科學(xué)裝置先后被列入相關(guān)規(guī)劃，其中一部分已經(jīng)建成并投入使用。

這些裝置的建設(shè)，使我們?cè)诳茖W(xué)與技術(shù)上大大縮小了與國(guó)外的差距，從完全學(xué)習(xí)，到能夠自主研制，并在某些方面能并駕齊驅(qū)，甚至一定程度的領(lǐng)先。圍繞這些裝置，也建成了一些科學(xué)與技術(shù)中心，發(fā)揮了輻射、示范、引領(lǐng)及推動(dòng)作用，并且成為極為重要的人才培養(yǎng)基地。在大力推動(dòng)科技創(chuàng)新，建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)的征途中，這些大科學(xué)裝置成為了“國(guó)之重器”。

催生世界一流科研成果

中科院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員吳季曾介紹，100多年來(lái)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的成果，大概1950年以前，只有1項(xiàng)是來(lái)自于大科學(xué)裝置的。到1970年以后，就有超過(guò)40%是來(lái)自于大科學(xué)裝置，比如天文望遠(yuǎn)鏡，或者科學(xué)衛(wèi)星、加速器等等。到了1990年以后，這個(gè)比例高達(dá)48%，就是說(shuō)在科技強(qiáng)國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)中，由政府主導(dǎo)的、有組織的定向基礎(chǔ)研究突破當(dāng)中，所占的比例會(huì)越來(lái)越高。

從“兩彈一星”到“神舟五號(hào)”，每一次重大的科學(xué)突破，都與我國(guó)的大科學(xué)工程聯(lián)系在一起。特別是改革開(kāi)放后，一大批大科學(xué)裝置的陸續(xù)建成和運(yùn)行，滿足了國(guó)內(nèi)日益增長(zhǎng)的科研需求，極大地推動(dòng)了我國(guó)科技研發(fā)的進(jìn)步，并產(chǎn)生了相當(dāng)一批在國(guó)際上領(lǐng)先的科研成果。尤其是黨的十八大以來(lái)，中國(guó)在大科學(xué)裝置建設(shè)上更是持續(xù)發(fā)力，一份份科研捷報(bào)鼓舞人心。

自上世紀(jì)90年代以來(lái)，中科院高能物理研究所借助北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，獲得了多項(xiàng)重大成果，居于國(guó)際領(lǐng)先水平，成為世界高能物理研究中心之一。同時(shí)還“一機(jī)兩用”，成為我國(guó)眾多學(xué)科的同步輻射大型公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

外形猶如一個(gè)美麗的螺旋貝殼，坐落在上海張江高科技園區(qū)的上海光源，是我國(guó)迄今為止最大的大科學(xué)工程，同時(shí)也是目前世界上性能最好的第三代中能同步輻射光源之一。作為耗資12億元、建設(shè)歷時(shí)52個(gè)月的大科學(xué)裝置，上海光源能夠提供的高能X射線亮度，達(dá)到普通X光機(jī)的上億倍，為中國(guó)生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、石油化工等幾乎所有現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域?qū)ξ⒂^世界的研究，提供前所未有的工具。

2015年7月，作為全球生命科學(xué)領(lǐng)域首個(gè)綜合性大科學(xué)裝置，總投資7.56億元的國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海）設(shè)施通過(guò)驗(yàn)收。過(guò)去，許多科學(xué)家耗費(fèi)數(shù)年才解析一個(gè)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，如今在中心位于上海光源的蛋白質(zhì)研究專(zhuān)用線站上，為蛋白質(zhì)分子拍一張照只需0.1秒，看清一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，不再以年為計(jì)時(shí)單位，最短只需2分30秒。這里有國(guó)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度領(lǐng)先的裝置，可以為蛋白質(zhì)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行核磁“拍照”。先進(jìn)的集成化電鏡分析系統(tǒng)，則可以對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行接近原子分辨率的觀測(cè)，相當(dāng)于看清一根頭發(fā)絲直徑的幾十萬(wàn)分之一。

2016年9月25日，有著“超級(jí)天眼”之稱(chēng)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）在貴州平塘的喀斯特洼坑中落成啟用。這座造價(jià)6.67億元人民幣的世界上最大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡仰望蒼穹，諦聽(tīng)來(lái)自宇宙最深處的聲音。今年2月，國(guó)家天文臺(tái)發(fā)布消息，F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡已首先發(fā)現(xiàn)距離地球分別為1.6萬(wàn)光年和4100光年的兩顆脈沖星，并被國(guó)際天文界確認(rèn)。在河北興隆，天文學(xué)家已經(jīng)可以在這里使用世界上口徑最大的大視場(chǎng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡LAMOST巡天，獲取在世界上遙遙領(lǐng)先的光譜數(shù)據(jù)。

在合肥，被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，在全球首次實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101.2秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，為人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)，將我國(guó)磁約束核聚變研究帶入世界前沿；而科學(xué)島強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心已經(jīng)具備了產(chǎn)生45萬(wàn)高斯強(qiáng)磁場(chǎng)的技術(shù)能力，磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的90萬(wàn)倍。

此外，在云南昆明，生物學(xué)家可以在被譽(yù)為中國(guó)“植物諾亞方舟”的西南野生生物種質(zhì)資源庫(kù)，建立保存生物種質(zhì)資源的科學(xué)研究體系，從而為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供生物資源戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備。在廣東，散裂中子源首次打靶成功，標(biāo)志著我國(guó)成為繼美、英、日之后第4個(gè)擁有散裂中子源的國(guó)家……

截至去年底，我國(guó)在建和投入運(yùn)行的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施總量已接近50個(gè)，總體水平基本進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列。FAST將在未來(lái)20年保持世界領(lǐng)先地位，并在建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生了超過(guò)30項(xiàng)自主創(chuàng)新專(zhuān)利成果。這些大科學(xué)裝置為載人航天、探月工程、新藥創(chuàng)制、大型客機(jī)研制、核心電子器件研制、高分辨率對(duì)地觀測(cè)等國(guó)家重大科技任務(wù)提供支撐，取得了四夸克粒子（由4個(gè)夸克組成的新粒子）物質(zhì)發(fā)現(xiàn)、重大流行病跨種傳播機(jī)制等一批原創(chuàng)科技成果。催生出了重離子治療癌癥、低溫超導(dǎo)材料規(guī)?；苽涞纫慌咝录夹g(shù)，在保障國(guó)計(jì)民生和國(guó)家安全中發(fā)揮著不可替代的作用。

帶動(dòng)國(guó)家工業(yè)制造水平提高

在中科院院士、高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳看來(lái)，大科學(xué)裝置的建設(shè)過(guò)程不同于簡(jiǎn)單的房屋建造，建設(shè)本身就是一個(gè)科研的過(guò)程，能考驗(yàn)和提高一個(gè)國(guó)家的工業(yè)制造能力。王貽芳認(rèn)為，對(duì)于大科學(xué)裝置，“首先要在科學(xué)上有意義，其次還要在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)?！?/p>

隨著我國(guó)國(guó)力的不斷增強(qiáng)，在大科學(xué)裝置上的投入今非昔比。如在廣東東莞的中國(guó)散裂中子源項(xiàng)目，總投資達(dá)20多億元。但建設(shè)大科學(xué)裝置，并不只是錢(qián)的事?！凹夹g(shù)的邊界并不好把握”，王貽芳說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)低了，缺少突破性。采用的技術(shù)激進(jìn)一些，就存在失敗的可能?！耙虼?，大科學(xué)裝置在立項(xiàng)前，必須經(jīng)過(guò)非常專(zhuān)業(yè)的論證和判斷，最終的成敗也與項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的經(jīng)驗(yàn)和能力有很大關(guān)系?！?/p>

大科學(xué)裝置，往往瞄準(zhǔn)國(guó)際最先進(jìn)水平、對(duì)制造工藝也有著極嚴(yán)苛的要求，對(duì)企業(yè)是一個(gè)十分難得的提高技術(shù)水平的契機(jī)。中科院院士、LAMOST項(xiàng)目首席科學(xué)家崔向群就表示，LAMOST（大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，又稱(chēng)郭守敬天文望遠(yuǎn)鏡）的建設(shè)過(guò)程，就得益于我國(guó)國(guó)力的增強(qiáng)和工業(yè)基礎(chǔ)的提升。國(guó)內(nèi)的一些特殊材料生產(chǎn)企業(yè)、造船廠、軸承生產(chǎn)企業(yè)、玻璃生產(chǎn)企業(yè)等都在其中做出了貢獻(xiàn)。

大科學(xué)裝置建設(shè)中取得的新技術(shù)成果也被廣泛應(yīng)用在其他重大工程中，比如中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)的誕生是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的“副產(chǎn)品”，而它的建造和之后的每一次升級(jí)改造，都促進(jìn)了相關(guān)企業(yè)的技術(shù)提升。而為FAST研發(fā)的抗疲勞索網(wǎng)技術(shù)及索網(wǎng)工程管理，應(yīng)用在了港珠澳大橋的建設(shè)中。

中科院上海應(yīng)用物理研究所所長(zhǎng)趙振堂認(rèn)為，大科學(xué)裝置的建設(shè)過(guò)程中，不但鍛煉了科研隊(duì)伍、研發(fā)出很多關(guān)鍵設(shè)備，還培育起了很多能夠生產(chǎn)這些設(shè)備的高技術(shù)企業(yè)。據(jù)介紹，自由電子激光設(shè)備招標(biāo)時(shí)，很多分布于長(zhǎng)三角的企業(yè)都來(lái)投標(biāo)，關(guān)鍵設(shè)備絕大多數(shù)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)。其中，波蕩器、直線加速器等主要設(shè)備還實(shí)現(xiàn)了對(duì)外出口。

參與國(guó)際合作與競(jìng)爭(zhēng)的利器

大科學(xué)裝置的建設(shè)，也直接帶動(dòng)了科技人才的匯集。在上海，科創(chuàng)中心建設(shè)活力迸發(fā)，人才集聚效應(yīng)顯現(xiàn)，正在不斷吸引活躍在世界前沿領(lǐng)域的頂尖科學(xué)家加盟，同時(shí)歷練一批屬于中國(guó)自己的頂級(jí)科學(xué)家。緊鄰大科學(xué)裝置，上?？萍即髮W(xué)的專(zhuān)任教師隊(duì)伍中，已集聚起包括多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)院士等在內(nèi)的一批頂尖海外人才。

在不少科學(xué)家看來(lái)，大科學(xué)裝置更是一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)，可以讓我們?cè)趪?guó)際合作與競(jìng)爭(zhēng)中更具話語(yǔ)權(quán)，是參與國(guó)際前沿科技競(jìng)爭(zhēng)的利器。

2007年，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)在我國(guó)啟動(dòng)，它不僅成為具有重要國(guó)際影響力的大型基礎(chǔ)科學(xué)研究項(xiàng)目，也是中美兩國(guó)歷史上最大的合作項(xiàng)目之一。

崔向群說(shuō)，從2011年9月到2015年6月，經(jīng)過(guò)3年巡天，LAMOST共觀測(cè)了2669個(gè)天區(qū)，已對(duì)外釋放了約570萬(wàn)條光譜數(shù)據(jù)，其中成功獲取高質(zhì)量恒星光譜462萬(wàn)個(gè)，比世界上所有已知光譜巡天項(xiàng)目獲取的數(shù)據(jù)總數(shù)還要多。這些別國(guó)沒(méi)有的數(shù)據(jù)，讓我們占據(jù)了學(xué)術(shù)的高地，可以通過(guò)國(guó)際合作來(lái)彌補(bǔ)我們?cè)诠庾V處理等技術(shù)上的短板。

通過(guò)上海光源項(xiàng)目，中科院上海應(yīng)用物理所與英國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的同步輻射光源及其研究機(jī)構(gòu)建立了全面的合作與交流關(guān)系，并與美國(guó)五大實(shí)驗(yàn)室保持著密切的人員交流與技術(shù)合作。

這樣的例子不勝枚舉。透過(guò)這些扎根中國(guó)的大科學(xué)裝置，國(guó)際合作的含義早已超越了“湊份子”的階段。中外科研人員互訪、合作開(kāi)展科研項(xiàng)目、聯(lián)合培養(yǎng)研究生等越來(lái)越豐富的手段，讓中國(guó)在科技全球化的浪潮中，逐漸成長(zhǎng)為一個(gè)融合與開(kāi)放的樞紐。