大科學裝置：科技強國之重器

劉朝暉

反物質是不是真實存在？夸克能不能再被細分？宇宙中究竟還有沒有類似地球的宜居星球？人類能不能控制熱核聚變？面對大量動植物進入瀕危狀態，人類能不能設法留住它們？……當人類已經能夠將自己送上月球，但仍有許多基礎科學理論問題亟須解決。

重大突破，科研儀器先行——從億萬光年之外的宇宙星辰，到組成世界的基本粒子，科學發現與技術創新越來越離不開功能強大的科研儀器，特別是大科學裝置，已經成為現代科學技術諸多領域取得突破的必要條件。

作為重大科技基礎設施，大科學裝置在提高我國自主創新能力方面占據重要地位。早在上個世紀80年代，北京正負電子對撞機的建成就對我國高能物理的發展起到至關重要的作用。近些年，散裂中子源、強磁場裝置、同步輻射光源、大型天文望遠鏡……一項項大科學裝置先后被列入相關規劃，其中一部分已經建成并投入使用。

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基地。在大力推動科技創新，建設科技強國的征途中，這些大科學裝置成為了“國之重器”。

催生世界一流科研成果

中科院國家空間科學中心研究員吳季曾介紹，100多年來諾貝爾物理學獎的成果，大概1950年以前，只有1項是來自于大科學裝置的。到1970年以后，就有超過40%是來自于大科學裝置，比如天文望遠鏡，或者科學衛星、加速器等等。到了1990年以后，這個比例高達48%，就是說在科技強國的競爭中，由政府主導的、有組織的定向基礎研究突破當中，所占的比例會越來越高。

從“兩彈一星”到“神舟五號”，每一次重大的科學突破，都與我國的大科學工程聯系在一起。特別是改革開放后，一大批大科學裝置的陸續建成和運行，滿足了國內日益增長的科研需求，極大地推動了我國科技研發的進步，并產生了相當一批在國際上領先的科研成果。尤其是黨的十八大以來，中國在大科學裝置建設上更是持續發力，一份份科研捷報鼓舞人心。

自上世紀90年代以來，中科院高能物理研究所借助北京正負電子對撞機，獲得了多項重大成果，居于國際領先水平，成為世界高能物理研究中心之一。同時還“一機兩用”，成為我國眾多學科的同步輻射大型公共實驗平臺。

外形猶如一個美麗的螺旋貝殼，坐落在上海張江高科技園區的上海光源，是我國迄今為止最大的大科學工程，同時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、建設歷時52個月的大科學裝置，上海光源能夠提供的高能X射線亮度，達到普通X光機的上億倍，為中國生命科學、材料科學、環境科學、石油化工等幾乎所有現代科學領域對微觀世界的研究，提供前所未有的工具。

2015年7月，作為全球生命科學領域首個綜合性大科學裝置，總投資7.56億元的國家蛋白質科學中心（上海）設施通過驗收。過去，許多科學家耗費數年才解析一個蛋白質分子結構，如今在中心位于上海光源的蛋白質研究專用線站上，為蛋白質分子拍一張照只需0.1秒，看清一個蛋白質結構，不再以年為計時單位，最短只需2分30秒。這里有國內磁場強度領先的裝置，可以為蛋白質復雜三維結構進行核磁“拍照”。先進的集成化電鏡分析系統，則可以對蛋白質進行接近原子分辨率的觀測，相當于看清一根頭發絲直徑的幾十萬分之一。

2016年9月25日，有著“超級天眼”之稱的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）在貴州平塘的喀斯特洼坑中落成啟用。這座造價6.67億元人民幣的世界上最大口徑的射電望遠鏡仰望蒼穹，諦聽來自宇宙最深處的聲音。今年2月，國家天文臺發布消息，FAST望遠鏡已首先發現距離地球分別為1.6萬光年和4100光年的兩顆脈沖星，并被國際天文界確認。在河北興隆，天文學家已經可以在這里使用世界上口徑最大的大視場光學望遠鏡LAMOST巡天，獲取在世界上遙遙領先的光譜數據。

在合肥，被稱為“人造太陽”的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，在全球首次實現了穩定的101.2秒穩態長脈沖高約束模等離子體運行，創造了新的世界紀錄，為人類開發利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術基礎，將我國磁約束核聚變研究帶入世界前沿；而科學島強磁場科學中心已經具備了產生45萬高斯強磁場的技術能力，磁場強度達到地球磁場強度的90萬倍。

此外，在云南昆明，生物學家可以在被譽為中國“植物諾亞方舟”的西南野生生物種質資源庫，建立保存生物種質資源的科學研究體系，從而為我國經濟社會發展提供生物資源戰略儲備。在廣東，散裂中子源首次打靶成功，標志著我國成為繼美、英、日之后第4個擁有散裂中子源的國家……

截至去年底，我國在建和投入運行的重大科技基礎設施總量已接近50個，總體水平基本進入國際先進行列。FAST將在未來20年保持世界領先地位，并在建設過程中產生了超過30項自主創新專利成果。這些大科學裝置為載人航天、探月工程、新藥創制、大型客機研制、核心電子器件研制、高分辨率對地觀測等國家重大科技任務提供支撐，取得了四夸克粒子（由4個夸克組成的新粒子）物質發現、重大流行病跨種傳播機制等一批原創科技成果。催生出了重離子治療癌癥、低溫超導材料規模化制備等一批高新技術，在保障國計民生和國家安全中發揮著不可替代的作用。

帶動國家工業制造水平提高

在中科院院士、高能物理研究所所長王貽芳看來，大科學裝置的建設過程不同于簡單的房屋建造，建設本身就是一個科研的過程，能考驗和提高一個國家的工業制造能力。王貽芳認為，對于大科學裝置，“首先要在科學上有意義，其次還要在技術上能夠實現。”

隨著我國國力的不斷增強，在大科學裝置上的投入今非昔比。如在廣東東莞的中國散裂中子源項目，總投資達20多億元。但建設大科學裝置，并不只是錢的事。“技術的邊界并不好把握”，王貽芳說，標準低了，缺少突破性。采用的技術激進一些，就存在失敗的可能。“因此，大科學裝置在立項前，必須經過非常專業的論證和判斷，最終的成敗也與項目負責人的經驗和能力有很大關系。”

大科學裝置，往往瞄準國際最先進水平、對制造工藝也有著極嚴苛的要求，對企業是一個十分難得的提高技術水平的契機。中科院院士、LAMOST項目首席科學家崔向群就表示，LAMOST（大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡，又稱郭守敬天文望遠鏡）的建設過程，就得益于我國國力的增強和工業基礎的提升。國內的一些特殊材料生產企業、造船廠、軸承生產企業、玻璃生產企業等都在其中做出了貢獻。

大科學裝置建設中取得的新技術成果也被廣泛應用在其他重大工程中，比如中國互聯網的誕生是北京正負電子對撞機的“副產品”，而它的建造和之后的每一次升級改造，都促進了相關企業的技術提升。而為FAST研發的抗疲勞索網技術及索網工程管理，應用在了港珠澳大橋的建設中。

中科院上海應用物理研究所所長趙振堂認為，大科學裝置的建設過程中，不但鍛煉了科研隊伍、研發出很多關鍵設備，還培育起了很多能夠生產這些設備的高技術企業。據介紹，自由電子激光設備招標時，很多分布于長三角的企業都來投標，關鍵設備絕大多數實現了國產。其中，波蕩器、直線加速器等主要設備還實現了對外出口。

參與國際合作與競爭的利器

大科學裝置的建設，也直接帶動了科技人才的匯集。在上海，科創中心建設活力迸發，人才集聚效應顯現，正在不斷吸引活躍在世界前沿領域的頂尖科學家加盟，同時歷練一批屬于中國自己的頂級科學家。緊鄰大科學裝置，上海科技大學的專任教師隊伍中，已集聚起包括多位諾貝爾獎獲得者、美國國家科學院院士、英國皇家學會院士等在內的一批頂尖海外人才。

在不少科學家看來，大科學裝置更是一個開放的平臺，可以讓我們在國際合作與競爭中更具話語權，是參與國際前沿科技競爭的利器。

2007年，大亞灣反應堆中微子實驗在我國啟動，它不僅成為具有重要國際影響力的大型基礎科學研究項目，也是中美兩國歷史上最大的合作項目之一。

崔向群說，從2011年9月到2015年6月，經過3年巡天，LAMOST共觀測了2669個天區，已對外釋放了約570萬條光譜數據，其中成功獲取高質量恒星光譜462萬個，比世界上所有已知光譜巡天項目獲取的數據總數還要多。這些別國沒有的數據，讓我們占據了學術的高地，可以通過國際合作來彌補我們在光譜處理等技術上的短板。

通過上海光源項目，中科院上海應用物理所與英國、日本、法國、德國等國家的同步輻射光源及其研究機構建立了全面的合作與交流關系，并與美國五大實驗室保持著密切的人員交流與技術合作。

這樣的例子不勝枚舉。透過這些扎根中國的大科學裝置，國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、合作開展科研項目、聯合培養研究生等越來越豐富的手段，讓中國在科技全球化的浪潮中，逐漸成長為一個融合與開放的樞紐。