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白春礼院士:大科学装置就是国之重器

发布时间:2021-11-10     来源:学习时报

现代科学诞生以来,已经发生了五次科技革命。其中两次是科学革命、三次是技术革命。科学革命是技术革命和产业革命的先导和源泉,而每次科学革命都是以基础科学的重大突破为起点,不但催生出大量新理论、新技术,也重构着全球的发展格局和经济版图。

时至21世纪第三个十年开启之际,人类再一次来到了新科技革命的前夜。这为中国科技发展提供了千载难逢的大机遇,也带来了前所未有的大挑战。下一轮新科技革命究竟会在哪些领域发生?基础科学的重大突破还有多远?应该在哪些领域进行前瞻性部署?对于这些问题,虽然今天还没有统一的答案,但全世界科学家在一个问题上已经具有高度的共识,那就是:这一切都离不开功能强大的大科学装置。如果说未来科技是一个充满无限可能的魔盒,那么大科学装置无疑就是一把用来开启它的钥匙。创造更高能量、更大密度、更短时间、更高强度等极限研究条件,能够帮助我们不断向科学技术广度和深度进军。

突破从探索未知开始

古人云:“工欲善其事,必先利其器。”科学研究作为高度复杂的专业性工作,它需要借助于比较先进的科学仪器设备,这就是大科学装置,也叫作国之重器。打一个简单的比方,可以说大科学装置,就相当于是对人类眼睛、耳朵、手观测能力的延伸。通过建造大科学装置,大幅提升人类探索自然奥秘的能力,有力推动基础前沿研究和综合交叉探索,可以为我国高新技术研发和关键核心技术的突破提供重要的平台和关键的手段。也因此,大科学装置俨然成为我国抢占未来科技竞争制高点的国之重器。

大科学装置是为科技创新,尤其是为我们探索自然的奥秘、发现新的自然规律、促进技术的变革,提供极限研究手段的大型的复杂的科学研究系统。从历史上来看,在1950年之前,用大科学装置获得诺贝尔奖的只有1项;到了20世纪70年代,有40%的诺贝尔物理学奖得主是利用大科学装置获得诺贝尔奖;到了1990年以后,48%的诺贝尔物理学奖主要是应用大科学装置来取得的。尤其是20世纪以来,有20多项诺贝尔物理学奖都来自于重大科技基础设施相关的工作。现在应该说,重大科技基础设施已经成为作出重大原创成果、实现关键核心技术突破、抢占科技竞争制高点的利器,也是全面体现国家综合实力和科技创新能力的一个重要标志。

爱因斯坦说过:未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。当前,宏观研究前沿,我们叫“两暗一黑三起源”。“两暗”就是暗物质和暗能量,“一黑”就是黑洞,“三起源”就是指宇宙的起源、天体的起源和宇宙生命的起源。所谓暗物质就是它本身不发光,也不与光和电磁波发生作用。暗物质、暗能量要占宇宙物质的95%以上。光学望远镜、射电望远镜都不能直接地观察到暗物质,但是它有一定的质量,可以通过其他间接实验方法,证明有暗物质存在,但是它到底是什么,并不是很清楚。所以这暗物质、暗能量是当代宇宙学、物理学最前沿的研究方向,是认识宇宙起源和演化的最关键的一步。我们国家也在积极开展这个暗物质、暗能量的研究,2015年,中国科学院牵头,发射一个卫星——悟空号暗物质粒子探测卫星。这个卫星搭载了目前国际上分辨率最高的一个空间高能粒子望远镜,在太空当中已经运行了5年多,采集了很多数据,有一些新的发现,这些发现非常重要。目前还在不断地积累数据,一旦得到证实的话,可能对于暗物质的研究或者其他新粒子的研究,会有一个非常重要的影响。

人类在探索无尽宇宙的同时,也从未放弃对周边物质世界微观层面的探究。自从17世纪制造出第一台显微镜,人类就不再为肉眼的局限所困。此后的数百年,被无限放大的微观世界,为人类打开了另一扇认识自己和宇宙万物的窗户。随着观测工具的不断进步,关于什么是构成物质的最小单位,人类一次次刷新着认知极限,也由此刷新着对物质和生命本质的理解。对无穷小的微观世界的探究,也许只是人类好奇的天性使然,却在20世纪引发了一系列的科技革命。如果没有DNA的发现,就没有今天人们已经习以为常的基因技术,更不会有20世纪下半叶兴起的生物技术革命。

从宏观层面宇宙探索到微观层面基本粒子研究,大科学装置帮助人类突破了认知极限。如何促进科技创新,从中观层面来说,重大科学基础设施能帮助人类不断地认识和理解自身赖以生存的发展环境,而且重大科技基础设施也是服务经济社会发展的国之重器。

服务社会发展,解决重大需求

未来要解决好科技创新“做什么”的问题,答案就藏在“顶天立地”四个字之中。“顶天”就是要仰望星空,做好奇心驱动的探索性研究,为技术创新提供源源不断的理论基础;“立地”就是要坚持需求导向,解决我国经济社会发展、民生改善、国家安全等面临的现实问题。今天,许多大科学装置都实实在在地服务于国家重大需求和经济主战场。也正是借助大科学装置,中国人不断向深空、深海、深地进发,抵达了不曾到过的远方和深处,进行前人难以想象的试验和探索,让国家的科技竞争综合实力跃上新的台阶。

重大科技基础设施是支撑现代经济社会发展和国家安全必不可少的重要的物质技术基础。现代社会的运作高度依赖基础数据和基础信息,所以国家对自然资源、人力资源和已建立的各种硬件资源的利用效率,在很大程度上依赖于各种基础数据和基础信息。重大科技基础设施在数据和各种信息的收集和利用方面,能发挥非常独特的重要作用。

建造中国自己的重大科技基础设施,需要多学科支撑,众多高新技术集成。在很多重大科技基础设施建设当中,有很多特殊材料和工艺被封锁禁运,我们要努力突破关键核心技术,这样也有助于提升我国工业和制造业的能力水平。这些新技术成果可以广泛地应用到其他的重大工程和产业当中,来反哺国民经济的发展。

大科学装置在培养和凝聚人才、促进国际科技合作方面也能发挥独特作用。科学家们能不能在世界科技前沿取得重大的原创科研成果,在很大程度上取决于是否拥有最先进的科学仪器设备和装置。重大科技基础设施,能够为科技工作者提供最好的科研平台,也能成为凝聚人才、吸引人才的高地。在重大科技基础设施的设计、建造和后续运行当中,能培养一大批工程技术人才。所以我们“中国天眼”建成以后,向全世界科学家开放,征集观测申请,吸引了全世界一流的天文学家前来合作,科学家报名非常踊跃。

重大科技基础设施也是开展国际合作的重要平台。我国很多重大科技基础设施的建设运行当中,也引入了国际合作者,很多设施都面向国外开放,依托这些设施开展的联合研究、人员交流、人才培养,对提升我国的国际科技合作水平,发挥了积极的作用。

中国“天眼”

突破“卡脖子”要先解决“卡脑子”

当前,我国发展面临的国际环境发生了很大变化,同时,与我们提出的第二个百年奋斗目标相比,我国科技发展有不少亟待补齐的短板,许多产业的技术瓶颈源于原始创新比较薄弱。基础研究无疑是推动原始创新、构筑科技和产业发展“高楼大厦”的基石。种种现实让人们更加警醒起来——我国已到了必须大力加强基础研究的关键时期。决不能错过这个时机,一定要赶上新科技革命浪潮。

加强基础研究是科技自立自强的必然要求,是我们从未知到已知、从不确定性到确定性的必然选择。作为科技创新之源,基础研究关乎我国源头创新能力和国际科技竞争力的提升,决定着建设世界科技强国的历史进程,对如期实现第二个百年奋斗目标具有至关重要的作用。我们的基础研究不仅要勇于探索、突出原创,推进对宇宙演化、意识本质、物质结构、生命起源等的探索和发现,拓展认识自然的边界,开辟新的认知疆域,而且更要应用牵引、突破瓶颈,从经济社会发展和国家安全面临的实际问题中凝练科学问题,弄通“卡脖子”技术的基础理论和技术原理。

实事求是地看,当前我国面临的一些“卡脖子”问题,表面上主要表现为技术领域的困难,但实质上,这些障碍往往与基础研究领域的缺憾紧紧连在一起。要解决“卡脖子”问题,必须注重从基础研究入手,加强原创性、引领性科技攻关,坚决打赢关键核心技术攻坚战。

比如说我们研究一个领域,这个领域我们想能够更加聚焦前沿前瞻性的研究,应该追求不仅知其然,还要知其所以然。今天我们认为,很多技术上一些“卡脖子”的问题,比如说航空发动机,实际上可能“卡脖子”还是卡在基础研究方面。

有统计数据显示,高技术的发展,很多专利实际上是在基础研究阶段就已经申请到了,就已经保护了,它不仅仅是在后边产业化那部分保护着。

要想真正解决这些“卡脖子”的问题,可能还需要我们在基础研究方面加大力度来做。但是基础研究也不是泛泛的,我一直坚持这样一个观点,就是同样做基础研究,别人画一条曲线,那么你在这整个曲线上,再多加几个新的点,使曲线更加平滑,这是别人没做过的,是小的创新。如果你提出一条新的曲线,这个斜率、截距、曲线走势都是你自己提的,这完全不一样。所以要加强原始创新,就是这样一个道理。

基础研究实际上涵盖面也很广,有些积累性的研究,也属于基础研究。比如大量收集数据,这属于一种积累式的创新。原始创新的能力不足,就是说01这方面比较欠缺。01是原始创新,或者说颠覆性的,就是无中生有,完全是打破原来的认知,是一个全新的东西。那么从110往后走,从12相对来说就容易点,所以1223,这就属于一种积累式创新了。原始创新和积累式创新两方面都很可贵。关键是我们尽可能地要走一些前人没有走过的路,走出一条新路来,不要仅仅是跟在别人后面。

暗物质粒子探测卫星“悟空”

珍惜千载难逢的科研机遇

科技创新是关乎国家命运和核心竞争力的决定性力量,谁能成功把握科技革命的历史机遇,就有可能实现科技创新能力和综合国力的快速跃升,这为后发国家赶超和跨越发展提供了历史性的战略机遇。

新时代大科学装置建设和运用的伟大实践已经证明,我国自主创新事业大有可为,科技工作者们正在以与时俱进的精神、革故鼎新的勇气、坚忍不拔的定力,面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,把握大势、抢占先机,直面问题、迎难而上,肩负起时代赋予的重任,奋力实现高水平科技自立自强。

科研工作能够做得好,需要一种奉献精神,不能够仅仅把它当成一个谋生的手段。完成这种职业上的任务,没有一种无私的奉献精神,恐怕还是很难取得成果。科研人员,也包括承担科研任务的学生,基本上是没有8小时之外,绝大部分科研人员压力还是很大的。但现在是一个非常好的时期,国家对科技高度重视,对科技投入很多。目前中国的研发投入,在过去这20年有了快速增长,这一点在科技界我们体会特别深,我们能够干很多以前想干而不能干的事情。每个人应该说有一个充分发挥自己聪明才智的很好的舞台,跟30年前不可同日而语。

我是1987年学成回国的,那时候中国还没有一个支持青年人或者支持留学人员回来的专项基金。所以我回国之前,想申请归国人员支持基金,没有申请到,没有钱。我不知道回来能不能拿到钱,能不能给我什么职称,给我什么房子,我根本不知道。而且我也知道国内好多东西买不到,所以当时我自己花钱从国外买了一些工作的元器件带回来了。中关村有电子一条街,那时候想买一个什么电阻电容,都得自己上街一个一个商店跑,问有没有这个,有没有那个。现在你可以打电话请快递给你送过来,那时候国内哪有什么快递,而且企业连产品目录都没有。所以不可同日而语。我当时回来也没有科研经费,跟现在是不一样的。现在对留学人员,对青年人才的支持,要大得多了。目前中国有一个非常好的发展环境,年轻人应该抓住这个机遇发挥好聪明才智,为世界科技强国建设作出更大的贡献。

当然我们说自主创新,自立自强,并不是说不去做国际合作。大科学装置本身,像欧南天文台的大科学望远镜,就不是一个国家做的,要好多国家一起来做。一个国家的能力,完不成一个这么大的科学装置,需要多国一起来合作。所以国际合作是一个必然的趋势。

当前我们国家正处在加快实现高水平科技自立自强、建设科技强国的关键时期。今年两院院士大会上,习近平总书记发表了重要讲话,他指出科学研究范式正在发生深刻变革,学科交叉融合不断发展,科学技术和经济社会发展加速渗透融合,从广度显著加大、深度显著加深、速度显著加快、精度显著增强四个方面,深刻总结了新一轮科技革命和产业变革的特点和规律。所以说科学研究范式的转变,科学创新的广度、深度、速度、精度的拓展,离不开科研仪器设备,特别是重大科技基础设施的有力支持。世界各主要发达国家纷纷将建设重大的科技基础设施,作为提升国家科技竞争力的重要举措,投入重金来支持设施建设。所以可以预见,未来围绕重大科技基础设施的竞争和博弈将更加激烈。习近平总书记还列举了那么多科技成果,我看了以后、听了以后,也确实觉得很振奋。这个时候国家提出了科技的自立自强,加强国家战略科技力量,都是一个新的要求、新的机遇。

面向未来,只有前瞻性谋划和系统性布局一些重大的科技基础设施,来不断地夯实我们国家科技创新的技术基础,并且依托这些重大的科技基础设施,来推动我国在基础研究和原创性、引领性科技攻关方面取得更多的更大的突破,来打好关键核心技术的攻坚战,才有可能把握新科技革命和产业变革的战略机遇期,实现我们从跟跑到并行甚至领跑的这样一个跨越发展,为全面建设社会主义现代化国家,为到2050年建成世界科技强国,奠定坚实的基础。

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