王贻芳:发展国家重大科技基础设施引领国际科技创新

选择字号:   本文共阅读 1643 次 更新时间:2020-05-27 21:05

王贻芳  

一、导言

(一)国家重大科技基础设的定义

国家重大科技基础设施是指通过较大规模投入和工程建设来完成,建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动,实现重要科学技术目标的大型设施,是科学研究的重要工具。其科学技术目标面向国际前沿,为国家经济建设、国防建设和社会发展做出战略性、基础性贡献①。国家重大科技基础设施的定义和内涵,特别是其功能分类和目标领域一直随着科学发展在演变,本文多处简称“设施”,通常也会被称为“大科学装置”或“大科学工程”。这类设施的“重大”特征不仅体现在科学技术的目标和科学意义上,在建设运行组织规模、投资体量方面也体现了“重大”或者“大型”的特点。设施的“大型”特征源于拓展人类探索能力的自然需要,承载了必要的多元创新要素,“重大”也体现在能否支撑新一轮科技创新。因为“重大”,设施的整个生命周期从预先研究到规划、设计、建设、运行及未来的升级改造,常常会达到几十年,其立项建设不仅需要通过高水准的科学、技术与工程方案评估,以及对未来发展方向、水平和需求的评估,有时还需要国家层面的政治决策(杜澄等,2011)。欧美科技强国都通过制定长期的战略路线图来规划科技基础设施,保证国家的科学与技术持久领先。我国除科技方面的五年规划、中长期规划,也有专门的国家重大科技基础设施规划。

(二)国家重大科技基础设施的分类

国家重大科技基础设施是为了适应现代科学技术的发展需求,实现国家战略目标而发展起来的,是人类探索未知的工具。设施按照不同的科学用途分为以下3类。

第一类是专用研究设施,这类设施是为特定学科领域的重大科学技术目标而建设的研究装置,如正负电子对撞机、核聚变实验装置、宇宙线观测站、天文望远镜、天文卫星、中微子实验装置等,专用研究设施有明确具体的科学目标,依托设施开展的研究内容、科学用户群体也比较集中。

第二类是公共实验平台,这类设施主要为多学科领域的基础研究、应用研究提供支撑性平台,例如同步辐射光源、X 射线自由电子激光装置、散裂中子源等。这一类装置为多个科学领域的大量用户提供实验平台和测试手段,比如正在北京怀柔建设的高能同步辐射光源,将为凝聚态物理、材料、化学工程、能源环境、生物医学、航空航天等领域的科学家提供从静态构成到动态演化过程的多维度、实时、原位的微观结构表征,从而理解并掌握物质结构,特别是微观结构的客观规律,为相关基础科学研究及其应用提供关键支撑。

第三类是公益基础设施,这类设施主要是为国家经济建设、国家安全和社会发展提供基础数据和信息服务,属于非营利性、社会公益型重大科技基础设施,如遥感卫星地面站、长短波授时中心、野生生物种质资源库等。

我们下面的讨论主要集中在前两类,第三类主要是应用驱动,其功能目标明确,用户范围广泛,一般争议也比较少。

(三)国家重大科技基础设施的特点

国家重大科技基础设施科学意义和社会影响重大,有别于一般意义上的科学装备,具有如下特点。

(1)设施运行所瞄准的科学目标或所支撑的科学用户目标代表了当前国际科学发展的最前沿,是这些领域产生重大成果、重大突破的基础和必要条件,对于设施所在国开展前沿科学研究,保持科学和技术的领先地位具有极其重要的战略意义。

(2)设施的规划和建设体现了国家科技战略意图,是世界科技强国保持国际竞争优势的重要手段(尚智丛,2010)。欧美发达国家从国家战略层面发展大科学工程,通过重大科技基础设施建设贯彻国家意志,科学历史学家丹尼尔·格林伯格称之为“科学与国家的联姻”(Greenberg,1999)。

(3)因设施在国际科学前沿领域中的地位,设施所在地往往成了相关领域国际科技交往的中心,也自然而然地成为高端人才、先进技术、前沿思想汇聚的地方。世界科技强国均依托重大科技基础设施建立了有国际影响的科学中心。

(4)设施强大的创新支撑能力和人才承载能力,使得设施成为不同国家、不同学科,以及科学界与工业界之间的枢纽。重大科技基础设施不仅是开展科学研究的平台,还是技术成果、人才和资本动态交互的中心,伴随着创新知识、应用技术向周边地区的溢出,对设施所在地的科技、教育、社会经济有重要的影响(陈光,2014)。

(5)设施建设体量大,有的设施由于投资规模巨大,超出了一个机构或者一个国家独立投资或运行的能力范围,国际间的合作和跨地区的联合建设/运行成为必然趋势。

二、国际、国内背景与发展趋势

(一)美、欧国家的设施发展状况随着人类探索未知的进程不断推进,科学研究的复杂性、交叉性显著增强,对仪器设备的依赖越来越强,仪器设备也越来越复杂,规模越来越大。重大科技基础设施是前沿科学与先进技术的结合,在世界科技强国崛起的过程中发挥重要的作用。20 世纪中期,美国通过“曼哈顿计划”逐步建立起以洛斯阿拉莫斯国家实验室、橡树岭国家实验室为核心的核工业体系和核物理研究中心,建造了一系列的核反应堆和加速器。二战结束以后,核反应堆和加速器由军事用途转变为支撑核能发展以及核物理与粒子物理的研究,“曼哈顿计划”的实施标志着以大组织机构、大科学装置为特点的“大科学”时代的开始(Galisonand Hevly,1992)。除了“曼哈顿计划”之外,美国还通过“阿波罗计划”、“人类基因组计划”、“信息高速公路”等大科学计划,将大量的科技投入集中在国防科研和基础研究上(黄振羽等,2015),并部署建设了费米直线加速器(Linac,1968)、聚变能托克马克装置(PLT,1978)、斯坦福直线对撞机(SLC,1987)、哈勃太空望远镜(HST,1990)、大气辐射测量(ARM,-173-1992)气候研究设施、连续电子束加速器(CEBAF,1995)、先进光源(APS,1996)、国家球形环核聚变装置(NSTX,1999)、相对论重离子对撞机(RHIC,2000)等重大科技基础设施,建立起了以大科学装置集群建设和运行为基础,以国家使命为导向,以多学科交叉发展成为特征的国家实验室体系(陈娟等,2016;仲平,2017),开展重大科学前沿问题的攻关探索,很快在高能物理、核物理、天文、能源、纳米科技、生态环境、信息科技等研究领域取得一系列突破。依托大科学装置建立的国家实验室成为了美国产生重大科学发现,催生先进技术,造就和集聚高端人才的重要载体,支撑美国国家安全和经济社会可持续发展,维持世界头号科技强国的地位。美国的科学设施分散隶属于能源部、国防部、国家科学基金会、国家航空航天局等部门,各自负责规划和资助相应领域的科学设施(Hallonsten and Heinze,2012)。

欧洲国家以英国、法国、德国、意大利、瑞士等国为代表,有数量众多的大科学装置。为了整合跨国科技资源,提高整体科技能力,应对巨大科技风险,欧盟国家联合起来建造了一系列国际领先的重大科技基础设施(Papon,2004),如欧洲空间局协调的各种空间科学项目、欧洲核子中心(CERN)的大型加速器(LEP,LHC)、欧洲自由电子激光(EXFEL)、欧洲同步辐射装置(ESRF)、欧洲散裂中子源(ESS)等。欧盟科技基础设施战略论坛(ESFRI)就是由欧委会和各成员国及区域政府、科技界、工业界和利益相关方代表组成的(陈娟等,2013),旨在为欧盟面临的经济社会挑战提供科技创新解决方案,提出未来中长期泛欧洲科技基础设施需求的总体规划,使欧洲国家在欧盟的总体框架中制订各自的设施发展路线图。2018 年 8 月更新的路线图对

2008 年入选的项目进行了评估(ESFRI,2018),并给出了新项目的遴选结果,包括 18 个未来十年重点支持建设的基础设施项目,以及 37 个未来十年重点支持运行/升级的基础设施,涉及物理科学和工程、天文与空间科学、能源、环境、健康和食品、社会和文化创新、电子研究基础设施等领域。欧盟国家的联合对于集中和整合成员国的科技基础设施和资源,弥补分散投入的不足,合作开展大规模的、国际领先的科学研究起到了重要作用。

(二)以探索物质深层次结构为目标的设施仍然是“基础中的基础、前沿中的前沿”

20 世纪的科技发展取得了巨大的进步,尤其是探索物质深层次结构的粒子物理学取得了辉煌成就,约 1/3的诺贝尔奖都从这一领域中诞生。基于大型加速器的大科学装置支撑了粒子物理的重大发现,每一次都改变了人类对物质世界的认知,发展出一批有重大应用价值的技术(Sessler and Wilson,2007),也催生了为其他学科领域开展微观层次研究的大型公共实验平台,包括同步辐射光源、散裂中子源、自由电子激光等。随着物质结构的研究进一步向深层次推进,物质微观结构的研究尺度越来越小,自然需要使用能量越来越高、性能更为先进的粒子加速器。

进入 20 世纪,人类进一步在物质深层次结构探索的过程中认识自然现象、揭示自然规律,形成新的时空观、运动观和物质观。物质领域的认知进步是化学、材料、生物、医学等领域产生革命性突破的前提,从物质结构的源头上抢占先机,仍然是迎接未来科技革命首先要具备的基本条件。除了正在运行的大科学装置之外,世界科技强国启动和规划提出了多项物质科学领域的重大科技基础设施(李泽霞等,2019),主要包括高能加速器、同步辐射光源 ②③,以及面向深空粒子探测的天文设施,如表 1 所示。可以看出对物质本源的探索仍然是当前国际科技发展最为关注重大问题。

(三)依托大科学装置集群建立综合型科学中心是国际科技发展的特点

随着现代科学的发展,前沿科学问题的解决越来越依赖于多学科、大团队的协作,以及先进的科学设施,科研活动组织模式越来越趋向于大型化、综合化。20 世纪下半叶以来,世界范围内逐渐形成许多依托大科学装置集群建立的大型、综合性国家实验室或者大规模的科学中心(见表 2)。

美国的国家实验室是其抢占科技创新制高点的重要载体(Westwick,2003),围绕国家使命开展协同创新,每一个国家实验室均拥有多个大型科学设施,并向大学、工业界开放共享,大多数实验室的科研队伍在 2000人以上,有的多达 4000 人。由美国能源部主管的国家实验室共有 17 个,员工总数近 6 万人,如橡树岭国家实验室的正式员工约 4500人,每年还有约 3000人的客座流动研究人员,拥有散裂中子源(SNS)、高通量同位素反应堆(HFIR)、电子直线加速器脉冲中子源(ORELA)等众多先进的大科学装置,在中子科学、能源、高性能计算、复杂生物系统、先进材料、国家安全等领域保持国际领先地位,是美国以国家实验室为代表的重要科学中心之一。欧盟国家依托重大科技基础设施发展了相应国家实验室以及有全球影响力的大科学中心,比如聚集于法国格勒诺布尔市的多个研究中心、德国的同步加速器研究所、于利希研究中心、英国的卢瑟福·阿普尔顿实验室、瑞士的保罗谢尔研究所等,这些科学中心在各自的领域是世界级的创新之源,不断产生出新知识,衍生出新兴学科。

表 2 给出了部分国际大型科学研究中心的基本情况,并以中国的高能物理研究基地为例作比较。这些有国际影响力的科学中心均以大科学装置群作为支撑,是本国科技发展的引擎。这些中心除了产生一批以诺贝尔奖为代表的基础科学研究成果之外,还产生了一大批带动社会经济发展的高新技术成果,促进学科交叉、促进新兴和边缘学科的发展。

(四)中国的大科学装置建设发展历程

我国的重大科技基础设施发展起步于 20 世纪 80 年代建设的北京正负电子对撞机(BEPC)。在此之后,我国陆续建成了一批大科学装置,包括兰州重离子加速器(HIRFL)、全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)、神光 II 高功率激光物理实验装置(SG-II)、郭守敬望远镜(LAMOST)、上海光源(SSRF)、合肥同步辐射装置(HLS)、长短波授时系统(BPL-BPM )、遥感卫星地面站(RSGS)等,对促进我国科技事业和其他各项事业的发展起到了积极作用。“十一五”之后,我国启动了设施建设规划的“五年计划”推进模式,设施建设进入有序规划、加速发展的阶段,散裂中子源(CSNS)、500 米口径球面射电望远镜(FAST)、“科学”号海洋科学综合考察船、航空遥感系统(CARSS)等设施相继建设,设施建设和开放共享水平大幅提升,并向多学科领域扩展,科研支撑能力不断加强(中国科学院,2018)。

党的十八大以来,我国制定发布了《国家重大科技基础设施中长期规划(2012~2030 年)》,首次在国家战略层面形成了设施发展的中长期路线图。“十二五”期间,我国规划部署了 16 项重大科技基础设施。“十三五”期间,围绕国家重大战略需求制定了《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》,优先布局 10 项设施,覆盖了能源、生命、地球系统与环境、材料、粒子物理和核物理、空间和天文、工程技术 7 个科学领域,形成了服务于学科前沿研究、国家经济社会重大需求的健全功能体系。截至目前为止,全国在建和运行的重大科技基础设施接近 50个,依托中国科学院组织立项、建设和运行的设施约占全国设施总数的 2/3,详列如表 3。

重大科技基础设施作为创新能力建设的重要组成部分,在我国的科技布局中扮演了重要角色,取得了辉煌的成就。已经建成的这些科学设施瞄准国际学术前沿,开展世界一流的研究工作,满足国家战略高技术发展需求,使得相关研究工作达到国际水平(中国科学院,2019)。

三、重大科技基础设施的作用与影响

(一)专用研究设施产生重大基础科学突破重大科技基础设施是为了满足现代“大科学”研究的需要而建造的科学研究装置,有特定的科学目标,是人类拓展认知能力、发现新规律、产生新技术的创新载体。进入 20 世纪以后的现代科学进步离不开重大科技基础设施,设施的建设水平被国际社会普遍认为是体现国家整体研究实力和创新能力的重要指标。

1931 年,美国物理学家欧内斯特·劳伦斯通过磁共振的原理建成了回旋加速器,并获得了 1939 年的诺贝尔奖。据统计,在此后的 60 年间,基于大科学装置获得的诺贝尔物理学奖有 21 个之多。特别是经过几十年的努力,欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)上发现了希格斯玻色子,是大科学装置支撑重大科学前沿取得突破的典范,是人类探索自然的又一重大成就。事实上近 20 年来获得诺贝尔物理学奖的几个最重要发现,包括引力波、中微子振荡和希格斯粒子,都是基于大科学装置。

在中国,北京正负电子对撞机(BEPCII)上发现了新共振结构 Zc(3900),被《自然》(Nature)杂志评价为“开启物质世界新视野”,入选美国《物理》杂志 2013 年重大成果之首。大亚湾实验发现新的中微子振荡模式,被称为中微子物理研究的一个里程碑,入选了美国《科学》杂志2012 年十大科学突破,获国家自然科学一等奖和美国基础物理学突破奖等一系列国内外大奖,大科学装置支撑我国的粒子物理走到了国际最前沿。

20 世纪中叶以来,在物质结构方面的重大突破几乎都与大科学装置有关,要在这些领域取得世界级的研究成果,必须发展一流的专用研究设施,为原始创新提供必不可少的研究手段。

(二)公共实验平台支撑多学科发展

相比专用研究设施,公共实验平台是支撑跨领域、交叉学科研究活动的综合性科研平台,这一类设施为相关学科领域的基础研究和应用研究提供了新的手段和产生突破的基本实验条件。

北京同步辐射装置(BSRF)、合肥的国家同步辐射实验室(HLS)、上海光源(SSRF)是目前正在运行的 3 个同步辐射类公共实验平台。上海同步辐射光源的 15 条光束线 19 个实验站累计向全国用户提供 35 万小时的束流时间,服务全国 537 家单位用户 ④。2003 年突然爆发的 SARS-CoV 冠状病毒,2020 年春节期间,肆虐中国大地的 2019-nCoV 冠状病毒,都是依托同步辐射光源得到了蛋白酶结构的解析,为抗病毒药物研制提供了必要的基础数据。2018 年建成投入运行的中国散裂中子源,在不到一年的开放运行中,就完成用户课题 101

个,这些课题围绕国际科技前沿和国家重大需求,涵盖了新型锂离子电池材料结构、斯格明子的拓扑磁性、自旋霍尔磁性薄膜、高强合金的纳米相、太阳能电池结构、芯片的中子单粒子效应等基础研究方向,同时也开展了航空材料、可燃冰、页岩、催化剂等应用研究,取得了多项重要成果。

公共实验平台的建设和运行目标是结合用户的科学需求而制定的,为更好地为用户服务,理解用户需求及学科发展方向,甚至提前预知未来发展趋势,做好技术与研究的结合,设施的建设单位还必须发展自己的多学科研究,发挥多学科交叉的特长,开展有特色的研究,培养一支技术与研究相互融合的队伍。公共实验平台促进了跨部门、跨学科、跨领域的开放共享,充分发挥了科学设施与用户资源的集成、协调研究模式的优势,也推动了依托这些装置的新兴学科研究。

(三)依托重大科技基础设施,造就一流人才团队

科学发展的历史证明,没有世界一流的科技人才,就难以取得世界一流的重大科学发现和技术突破。为了实现科技领先,世界科技强国都建立了具有全球视野、能够吸引并充分发挥全球人才作用的人力资源体系,通过大科学装置“筑巢引凤”是国际上人才吸引和培育的重要策略之一。重大科技基础设施具有强大的人才集聚能力、人才承载能力和人才造就能力,高端科技人才和稀缺人才可以依托一流的设施开展研究,取得出色的成果。正是他们卓越的开创性研究和突破性成果,主导了全球科技创新浪潮,引领世界科技发展。

美国的科技领先得益于大批来自世界各地的优秀科技、工程人才持续向美国流动,在这一人才流动过程中,性能优异的大科学装置起到了关键作用。美国在“二战”前后,通过曼哈顿计划、阿波罗计划等科学项目吸引了大量国际人才留美工作,迎来了美国人才发展爆发期,为美国的科技强盛奠定基础。比如,美国布鲁克海文国家实验室(BNL)拥有 3000 名雇员,还有每年

4000 多名来自全球的科学家在此从事研究工作或访问。BNL拥有相对论重离子对撞机、变梯度质子同步加速器、美国国家航空航天局空间辐射实验室、国家同步辐射光源、高通量反应堆等大型研究设施。依托这些先进的科学设施,BNL 的科学家们取得了多项重大科学成就,发现 m 子中微子、J 粒子、CP 破坏和 P 宇称不守恒等四项成果获诺贝尔物理学奖。大型强子对撞机(LHC)所在的欧洲核子中心(CERN)合作成员国有 70 多个,拥有大约 2500 名员工,还有来自 110 个国家的大约 12200 位科学家和工程师在此开展合作研究⑤,密集的思想碰撞和技术交换,让 CERN 成为全球的学术前沿阵地和创新热点(郁施,2015)。特别需要指出的是,LHC 计划是在美国的超级超导对撞机(SSC)中途终止的情况下才正式启动的,这一事件导致世界的高能物理中心由美国转移到了欧洲,日内瓦成了国际一流的粒子物理学家聚集的新坐标。在 LHC 建设的过程中,仅参与紧凑型缪子螺线管探测器(CMS)建造的科学家和工程技术人员有 1900多人,来自 35个国家或地区的

152个研究机构。

从历史来看,世界科学中心每一次地理空间上的转移,都是顶尖科学家和优秀青年科技人才的重新聚集,重大科技基础设施在全球的布局影响着国际优秀人才的分布,其建设运行过程以及取得的成绩会吸引和造就一批世界顶级的人才。

(四)重大科技基础设施的高指标和超前性是技术创新与产业升级的动力

“科学求新,技术求精”,每一个大科学装置都是性能卓越的研究工具,为了保持设施的先进性,其建造的技术工艺指标都会高于上一代的同类设施,有些设施为了在一段时间内保持持续领先,在提出设计指标时还要考虑一定的超前性,这就要求发展更高的技术和工艺。这些前所未有的指标要依赖相关装备制造行业来实现,参与建设的企业需要通过不断地技术创新才能达到这一目标。

比如,大型加速器的建造需要最高水平的机械、电子、测量、微波、低温、超导、控制和各种信息与网络技术,大型天文望远镜需要最高水平的机械、测量与光学等方面的技术,这都会成为相关领域技术发展的动力,并引发相关领域技术进步或革命。在欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机的设计准备过程中,科学家们为了更便捷地互相交换实验数据和信息,开发了一种全新的网络信息交换技术,这就是今天的万维网,并基于此发展出了今天的互联网经济,改变了人类社会的生产生活方式。CERN 发明的万维网技术开放给全世界共用,对全球经济的贡献大大超过了有史以来人类对基础科学研究投入的总和。美国的费米实验室为了建设Tevetron 加速器,开发了低成本批量建造超导磁铁的技术,其直接应用就是使核磁共振成像(MRI)技术走出实验室进入医院,让全世界受益。国际上对大科学装置在经济上的投入产出比有一些研究(OECD,2014;Heidler and Hallonsten,2015),比如用于高能物理研究的大型加速器类装置,一般公认在大约 1∶3左右,即投入1元,产出 3元⑥。

在我国,北京正负电子对撞机的研制曾让我国的广播电视用上了国产的微波功率源,让成都飞机制造厂的机械加工精度和工艺水平提高了近一个量级。江门中微子实验(JUNO)为实现其核心探测器件的国产化,联合北方夜视等相关企业和研究所,突破了大面积真空光电探测技术的瓶颈,成功实现了新型光电倍增管的批量生产。同时,企业也据此成立研发中心,开展各类高速光电探测器件的研制,为基础科学研究和国家安全做出了重要贡献。江门中微子实验解决了一个光电探测领域的“卡脖子”问题,也造就了一个新的国际知名企业。

大科学装置在设计与建造期间是工艺创新、技术创新最集中的时期,设施的特殊工艺需求引发技术创新,带来产业升级,新的生产指标刷新了已有的工业规范,往往会成为下一代工业制造标准,这一过程是通过产业链条中的各环节创新突破来实现的,科学设施的需求是这一产业链条的起点,也是技术创新和产业升级的动力,通过设施的建设,研究院所和企业可以形成良好的产学研创新互动,这一创新过程是由科学界和企业界共同完成的,这种互相成就、相辅相成的关系是大科学装置创新驱动的特点,也带来了科学和技术上的丰厚回报。

当然也应该看到这种回报对不同的大科学装置是不同的,有时也存在偶然因素,不可预料。但一般来说,越是世界先进的设施对新技术的需求就越大,在技术上国际领先的机会就越大;反之,如果设施水平是别人已经实现了的,在技术上就只能是“填补国内空白”。另一方面,规模越大的设施对技术的要求越高,对价格和批量生产能力越敏感,对企业的直接推动作用也越明显;不惜工本的高精尖技术,其推广转化为应用的溢出效益可能会受到限制。因此,我们应该尽量争取设计建设国际领先甚至是革命性领先的科学设施,特别是专用研究设施。

(五)重大科技基础设施的溢出效应带动区域经济社会发展

依托重大科技基础设施产生的科学发现和技术发明是设施最直接的成果,这些技术发明成果会首先在设施所在地进行应用转化,设施是知识溢出、技术溢出的源头,溢出效应给设施所在地区、国家带来广泛而深刻的影响(陈套,2015)。在大科学装置所在地,尤其是有多个科学装置集聚的地区,由于科学成果的不断产生,大量的专利、新技术发明和新兴产业出现,以及来自世界各地优秀研究人员的聚集,都会使得地方的经济、社会和科技事业快速发展(谷俊战,2018;Massimo,2016)。

设施独特的创新活力和溢出效应也会推动技术创新中心的形成。法国的格勒诺布尔拥有欧洲同步辐射光源(ESRF)、高通量中子反应堆(ILL-RHF)、强磁场实验室(GHMFL)等大科学装置,受其影响,格勒诺布尔在信息、通讯、能源、生物技术等多个领域的研发水平均走在国际产业界的先进行列,这些企业不仅依托设施开展技术研发,而且是设施技术成果优先转化的地方,格勒诺布尔因此被誉为“欧洲硅谷”。

大科学装置是高技术综合体,会直接产生或间接衍生出相应的高技术产业。位于广东东莞的中国散裂中子源在建成不到一年后,就联合医疗企业在散裂中子源园区建设国内首台基于加速器的硼中子俘获治疗装置,开展物理测量实验、掺硼药物细胞实验以及动物试验,下一步将升级改进设备,开展临床治疗,开展首座商业化硼中子俘获治疗中心建设。为了促进大科学装置与产业界的联系,实现更多技术创新,有些设施还设立了产业用户咨询委员会,加强学术界与产业界的知识交换与合作。

(六)重大科技基础设施支撑创新驱动发展,提升国家创新体系支撑能力

建设世界科技强国首先需要建立高效、有序、富有活力的国家创新体系。国家科技创新体系由创新主体、创新基础设施、创新资源、创新环境等要素组成(中国科学院,1998)。大科学装置作为重要的创新基础设施,是国家创新体系的重要组成部分,能够为国家重大原始创新和重大科技成果产出、创新资源集聚、核心关键技术突破、高技术产业和战略性新兴产业发展提供创新的基础条件(潘泽生,2012)。近代以来,以美国为典型代表的世界科技强国纷纷建立了以专业研究机构、大学、企业为创新主体的国家创新体系(Godin,2009),依托大型科学设施建立了具有全球影响力的创新高地。

国家重大科技基础设施是国家战略科技力量的重要载体,是知识创新、技术创新、知识传播和知识运用的基础平台,可以同其他各类科研机构、大学、企业研发机构形成功能上的互补、良性互动的协同创新格局,对于建设一流大学、国家实验室,培养和吸引高层次人才,支撑综合性国家科学中心、科技创新中心有不可替代的意义(乔黎黎,2018;连瑞瑞,2019)。“十三五”规划中指出,要加快能源、生命、地球系统与环境、材料、粒子物理和核物理等科学领域的设施建设,组建综合性国家科学中心。国家重大科技基础设施是实施创新驱动发展战略的重要抓手,是综合性国家科学中心建设的“硬指标”。依托科学设施群形成功能完备、相互衔接的科技创新中心(王贻芳,2014),整体提升创新全链条的支撑能力,加强各类创新主体间的合作,设施成为创新链和产业链的重要衔接,促进产学研用的紧密结合,加快创新驱动发展。

实施创新驱动发展战略的关键是增强科技创新能力,只有拥有强大的自主创新能力,才能在激烈的国际竞争中把握先机、赢得主动。“基础研究是整个科技创新体系的源头,是所有技术问题的总机关”,在国家竞争力比拼过程中,具有战略意义的基础研究和应用技术研究非常关键,尤其从近期爆发的中美贸易战来看,那些“卡脖子”问题都与基础研究薄弱导致技术创新后劲不足有关,是我国创新驱动发展战略中的短板。针对创新环节中基础研究和应用基础研究创新能力明显偏弱的特点,需要发挥重大科技基础设施强大的支撑能力,尤其是发挥专用研究设施在基础研究取得重大科学突破过程中独一无二的作用,增强自主创新能力,为创新型国家建设提供不可替代的原始创新支撑条件。

四、中国第一台重大科技基础设施成果的回顾与启示

北京正负电子对撞机(BEPC)是在邓小平同志的直接关怀下建设的我国第一台大科学装置,于 1984 年动工建设,1988 年建造成功,成为国际上τ-粲物理能区性能最好的对撞机,经重大升级改造,于 2009 年成为国际先进的双环对撞机。中国的大科学装置建设发端于 BEPC,设施的成功建设以及取得的丰硕成果不仅使中国高能物理实验研究走在国际前列,而且带动了我国大科学装置建设的飞跃发展,有力地促进了我国基础科学前沿研究和高技术的发展。BEPC 在发展“大科学”的同时也支撑相关领域的“小科学”走向国际前沿。回顾BEPC 建设、科学研究、技术发展过程,总结科学成就和建设经验,对于制定我国重大科技基础设施未来建设规划,全局推动“大科学”与“小科学”协调发展,有着重要的借鉴意义。

(一)BEPC 为我国大科学装置发展奠定基础,在世界高科技领域“占有一席之地”

二战以后,各发达国家都开始建设国家实验室和大型加速器。美国先后建立了布鲁克海文、阿贡、斯坦福直线加速器中心、费米等国家实验室,西欧于 1954 年建立了欧洲核子研究中心,苏联等社会主义国家联合在杜布纳建立了联合核子研究所。在中国退出联合核子研究所以后,建设自己的高能加速器就提上了议事日程。经过多年讨论,方案多次反复,在小平同志的亲自关怀和强力推动下,BEPC 终于启动建设,并于 1988 年10 月 16 日首次实现了正负电子对撞,这一事件被誉为我国继“两弹一星”后,在高科技领域的又一重大突破性成就。

BEPC 使我国的高能物理进入了国际视野,依托 BEPC 开展的粒子物理实验取得一系列国际瞩目的重大成果,如τ轻子质量的精确测量使得广受怀疑的轻子普适性原理得以继续成立;2~5GeV 能区强子反应截面(R--179值)的精确测量使得标准模型与实验数据的矛盾危机得以消除;发现新强子态和四夸克态等全新的物质形态使我们对“物质是如何由夸克构成的”有了新的理解和实验证据。这些成果在国际上引起了强烈反响。迄今为止,BEPC 合作组在国际著名期刊上发表文章 400 多篇,被国际权威的《粒子物理手册(PDG)》引用的成果500 多项。我国的高能物理以 BEPC 为起点,取得了令人瞩目的成绩,造就了一支研究方向全面完整、具有国际水平和视野的高能物理研究队伍,中国在 2~5GeV 能区开展了富有特色的研究,在 τ 物理、粲物理、粲偶素、量子色动力学检验等方面长期耕耘,处于国际前列。

BEPC 也培养了一批国内的合作单位和设备供应企业,为我国相关领域的发展奠定了基础。通过建造BEPC,我国掌握了几乎所有高能物理实验装置所需的关键部件制造和加工技术,并达到了国际同类装置的先进水平,有力地推动了我国在真空、磁铁、微波、高频等领域的高技术发展和高精密度、高复杂度工业制造加工体系的建立,大大提升了相关工业领域的技术水平。

小平同志在谈到为什么要建设北京正负电子对撞机时,讲了很长的一段话,被录入《邓小平文选》,“中国必须在世界高科技领域占有一席之地”成为载入史册的论断。在当时的氛围环境下,这是很有远见的一句话,也是要求很高的一句话,应该说 BEPC 的建设和运行成果达到了他的期望。2013 年 7 月 17 日,习近平总书记到中国科学院专程考察了 BEPC,对设施建设运行以来取得的成绩给与了充分的肯定。

(二)从“一席之地”到全面发展,为多学科发展提供先进研究平台

BEPC 建成之后投入科学运行的 30 多年是我国科学技术飞速发展的 30 年,特别是基础科学有了长足进步,中国的高能物理研究实现了跨越发展,结出了丰硕的成果。中国科学院高能物理研究所(简称高能所)是我国从事高能物理研究、先进加速器物理与技术研究的综合性科学基地,承担了 BEPC 建设运行任务,通过BEPC 的建设积累,高能所独立完整地掌握了大型加速器的设计、建设和运行调试技术与经验,建立了一支完整的加速器、探测器和数据分析的队伍,其工程管理经验后来也成为我国大科学工程建设管理的范本。这些高端工程人才和管理人才,后来成为我国大科学装置建设发展的骨干力量。比如,高能所后来不但主持建设了大亚湾中微子实验站(DYB)、中国散裂中子源(CSNS)、空间硬 X 射线调制望远镜(HXMT)、高海拔宇宙线观测站(LHAASO)、江门中微子实验(JUNO)、高能同步辐射光源(HEPS)等大科学装置,还为上海光源(SSRF)、上海硬 X射线自由电子激光(SHINE)等设施输送了技术和人才。

BEPC 不仅支持粒子物理、粒子天体物理研究,还支持建设了同步辐射光源、散裂中子源和自由电子激光等平台装置。BEPC 一机两用,北京同步辐射装置(BSRF)每年向国内外的近百个研究机构和大学的千余名用户提供约 2000 小时的专用实验机时,在上海光源建成之前,BSRF 一直是我国最主要的同步辐射装置,自 90 年代初开始,为国内的凝聚态物理、化学、材料、地质、生物、环境、国家安全等领域的发展提供了关键条件,取得了一系列重要的科学成果。21 世纪初,在高能所 BEPC 队伍的带领下,上海应用物理所建成了新一代同步辐射光源——上海光源,使我国的光源水平提高到第三代,接近国际先进水平。正在北京怀柔建设的高能同步辐射光源则又跨越了一大步,将成为世界上亮度最高的第四代同步辐射光源,为更多用户提供国际最先进的研究条件。与专用研究设施所瞄准的科学目标相比,基于同步辐射光源上的这些多学科用户实验,研究规模一般较小,内容目标单一,这类科学研究被称之为“小科学”(Price,1963)。“小科学”研究需要依托大科学装置获得实验数据,“大科学”也需要“小科学”诸如材料、化工、微电子等各种成果作为技术支撑,BEPC 为众多领域的“小科学”发展提供了一流的实验平台,使得“大小科学”互为补充、互相促进。

(三)“大科学”与“小科学”互为补充、协调发展

BEPC 的成功建设标志着我国进入“大科学”时代,在建国初期到改革开放前,受整体国力限制,我国长期以来都把“小科学”作为主要的研究模式来资助,尽管也取得了像“屠呦呦发现青蒿素”这样的重大成果,但整体来说,“小科学”模式远不能满足社会经济发展的需要。以高能物理为例,在 BEPC 之前,我国的科学家只能参与欧美国家主导的高能物理实验,或者是小规模的宇宙线实验,很难做出在国际上有影响的重大成果。如果“大科学”装置落后,很多的“小科学”研究就无法开展,其技术成果也不能首先在世界上最先进的设备上得以应用。如果只做公共实验平台,会有技术更新迟滞落后,技术溢出效益较少,队伍水平不能达到国际顶尖的各种问题;事实上,前文所述的公共实验平台,其技术来源都是专用研究设施,同步辐射来源于环形正负电子对撞机,自由电子激光来源于直线正负电子对撞机,散裂中子源来源于环形质子对撞机。

应该支持“大科学”还是支持“小科学”的讨论由来已久,其根源还是在经费分配管理上。从事“小科学”研究的人数量众多,可以举出无数事例来证明花很少的钱就可以做出重大成果,从事“大科学”研究性价比不高,一旦失败则风险巨大。从事“大科学”研究的人则反驳称,“大科学”研究一般成果重大,反而是大量“小科学”研究的成果不太重要,从经费总投入与回报比例来看,性价比并不高,“大科学”的投入收益比要高于“小科学”(杰里米·伯格,2018)。还有人说,我们可以只做这种能帮助众多“小科学”的公共实验平台,花钱的专用研究设施让别人去做,我们享用别人的基础科学成果。可以看出,“大小科学”的经费资源分配比例值得研究。近几年,我国每年基础科学的研究经费大约 1000 亿人民币⑦,用于大科学装置建设的年均经费大约 30 亿,运行经费大约 10 亿,相关的“大科学”研究经费不到 10 亿,“大科学”在基础研究经费中占比大约为

5%,其中一半以上还是为“小科学”研究建设的平台型装置。从国际实践来看,美欧国家均达到 10%左右的比例,再考虑到他们的 GDP 水平和对基础科学的投入比例,可以估算他们对大科学的总投入达到我们的 10 倍左右。从具体的大科学项目来看,国际上单个项目的投资规模也是我国的 10倍左右,见表 1和表 3。

事实上,我国近年来加大了科技总体投入,取得了显著效果,在国内科技总投入只有美国的一半(田倩飞等,2019),基础科学投入只有美国 1/6 的情况下,我国的论文发表、专利申请数量世界排名第一⑧,这一贡献绝大部分来自于“小科学”,就量而言,我国已成为名副其实的科技大国,但具有国际影响的重大成果并不多,显然不到美国的 1/6(NSF,2020)。这一“量大而质不优”的现状与我国在“小科学”领域的大量投入形成了反差。尽管“小科学”单个项目的经费投入较小,风险看似不大,但总体看来,我们的收益不很理想,值得深思。另一方面,缺乏重大成果也与我们众多的“大科学”装置投入只有美国的 1/10 有关。当然,科学研究活动不同于产品生产,科技成果与科技投入之间有一定的延迟和不确定性,但从总体上来讲,我们在科技投入策略上存在问题,“撒胡椒面”和“雨露均沾”的经费分配模式操作简单,但不利于产生重大成果。

周光召先生曾形象地把“小科学”比喻成小的侦察部队,“大科学”则是打攻坚战的主战场。以重大科技基础设施为基本研究工具的“大科学”是科学研究发展的必然,是挑战重大科学命题的主战场。未来 30 年是国家科技发展的一个关键期,我们的目标是要从追赶成为国际领先。这就需要权衡“大科学”和“小科学”的关系,在项目支持方面,应集中资源,突出重点,发起一批标志性的大科学工程,敢于挑战超常规的“大科学”工程,才有可能取得重大的科学成果,同时不缺席国际上的其他重大科学项目,积极参与,共享其经验技术和重大科学成果。

(四)未来发展:从“一席之地”到全面领先

BEPC 的建成及其科学成果表明我们达到了小平同志为我们设定的“占有一席之地”的目标。随着我们国力的增长,对科技资源的投入也逐渐达到国际领先水平,很自然地应该将“国际领先”作为下一个发展目标。从上面的论述可以看到,“大科学”是实现国际领先不可或缺的环节,在一定程度上的超前,也会带动“小科学”的发展,成为整个科学发展的引领与驱动。鉴于 BEPC 的成功及其巨大的辐射带动作用,人们自然会问,我国在高能加速器方面是否可以率先实现国际领先,答案是确实有这个机会。

随着粒子物理标准模型的最后一块拼图——希格斯粒子的发现,国际高能物理学目前进入一个关键时刻,学界普遍认为,未来发展的最好窗口是希格斯粒子,建造希格斯工厂是未来高能物理发展的必由之路。事实上,我国科学家早在 2012 年就认识到这一点,在国际上首先提出建设环形正负电子对撞机,后来被命名为CEPC。2018 年 11 月,《CEPC 概念设计报告》正式发布,其主环周长约 100 公里,总造价约 360 亿人民币,投资规模接近 1/3 个北京大兴国际机场。与国际上的下一代对撞机方案⑨相比,我们的性价比优势非常明显,而且建造这类型的加速器我们有三十多年的经验,在国际竞争方面有一个十分有利的 10 年机遇期。CEPC 不但可以使我们在科学上实现引领,也让我们在技术上领先国际,并可以培养出一大批国际知名企业。为此,CEPC-181-联合几十家企业成立了“CEPC 产业促进会”,瞄准关键技术、核心部件的研发做产业准备,一些重大的革命性变革技术也在开展前期研究。CEPC

也将给我们带来人才集聚、区域发展、国际合作等各方面的溢出效益。

从国家层面的科研经费预算来看,首先,我国的基础科学研究经费应该从目前占 R&D 的 5%左右提高到10%左右,以接近国际上 15%的水平。其次,要将“大科学”占基础科学研究经费 5%的比例提高到 10%左右,与国际水平相当。这就可以使我国的“大科学”相关经费达到每年 200 亿左右的水平,接近美国的一半。这会充分发挥我们“集中力量办大事”的制度优势,进一步加快我国科技发展的步伐,在很多方面比较早地达到国际领先。如果能达到这个水平,每年 30多亿的 CEPC 经费应该是国家能够承受的。

认知的极限不断挑战人类的技术极限,自然科学的研究模式从“小科学”演进到“大科学”,欧美科技强国业已率先发展了超常规的“大科学”,中国在科技崛起的过程中也终将经历这样的阶段。从 BEPC 到 CEPC,是中国在国际高能物理发展十字路口所面临的一次机遇,我们之所以能够走到今天这样的十字路口,能够与世界其他科技强国共同谋划未来的高能物理设施建设,这跟邓小平同志在 BEPC 立项决策时的高瞻远瞩与支持分不开,与 BEPC 长期在技术、人才、建设管理经验上的持续积累分不开(王贻芳,2018)。BEPC 实现了与国际同行的“并跑”,CEPC 无疑将实现“领跑”,这是我国大科学装置建设走向超常规发展的开端,也是 BEPC 这 30年发展的一个必然,是中国建设世界科技强国道路上要积极争取的一次不可再来的机遇,能否实现 BEPC 到CEPC 的跨越,也是国家在战略层面要面对的一次重要决策。

五、存在问题与对策

(一)我国大科学装置的数量、体量、成果产出与科技强国存在差距

改革开放以来,尤其是通过“十二五”、“十三五”时期的集中规划、建设,我国在重大科技基础设施方面取得了很大的成就,目前中科院运行中的设施 20 个,在建设施 11 个,这些设施对促进我国的科学技术事业发展起到了巨大作用,取得了一批具有国际水平的成果。但由于我国设施建设起步较晚,技术储备和科技队伍尚有不足,投入总量相对偏低,总体来说,设施的整体水平与世界科技第一梯队的国家相比有很大的差距,自然取得的成果也有差距。

第一,设施规模偏小,技术水平总体上以跟踪为主,不能支撑一流的科学研究需要,当然也无法吸引一流的人才依托设施产生成果;第二,在科学上能达到国际领先水平的设施很少,这与投资规模相关,与创新能力水平队伍等也都有关;第三,设施数量偏少,以公共实验平台类设施同步辐射光源为例,美国的光源有 14 个,日本有 11 个,而我国在运行的光源有 3 个,在建 1 个,这个总量比例与我国作为一个科技大国的体量和经济发展水平不相适应;第四,专用研究设施覆盖领域不全,一些领域的发展受到制约。总之,我们现在虽然已有一批大科学装置,但总体来说,离世界科技强国的要求还有较大差距,如何实现从弱到强的跨越,这是我们必须面对的现实。

当前,国际科技竞争空前激烈,世界科技强国已经拥有相当规模科技基础设施,是科学投入长期稳定积累的结果,在短期内我们很难一蹴而就地在数量、规模、水平和成果上实现追赶甚至超越,再考虑到设施规划、设计、建设在时间上的滞后之后更是如此。面对科学前沿研究向超微观、超宏观、超复杂方向深入的趋势,我们应该在设施总量和单个设施的体量上加大规划建设力度,瞄准世界一流,高水平、高起点、有重点地选择建造一批国际领先的大科学装置,对物质结构、能源、材料、生态环境和人类健康等方面的研究起到支撑和突破的作用,以点带面,逐步实现从“占有一席之地”、到重点突破、再到全面引领的战略目标。

(二)设施规划和项目遴选中的重点不够突出,不足以实现引领

根据科学前沿发展需要,我国把加快大科学装置的发展作为建设世界科技强国的一个重要举措来推进,为了确保科学设施全局性、战略性、可持续发展,我国连续制定并发布了《国家重大科技基础设施中长期规划(2012~2030 年)》、《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》,在战略层面统筹考虑,选择适当的项目纳入建设规划,为后续的遴选决策和立项建设提供依据,规划描绘了我国设施发展的基本脉络,对未来的项目遴选项起到了很好的指导作用,深刻地影响了国家科技创新发展的走向。

在制定具体的实施方案和项目遴选环节,还有一些需要特别关注重视的问题。第一,要强调科学上的重要性,要有革命性突破,而不是改良式的、渐进式的知识积累;要强调方案的创新性和独特性,不应该是别人方案的简单放大或复制,针对一些事关国家发展的重要战略性领域和具有潜在突破机遇的设施,应该尽快布局,提升我国在重大科学发现方面的支撑能力;第二,重视设施的原始创新能力,重点考虑设施对重大科学问题和基础技术研究的支撑能力,设施规划要敢于走进“无人区”,挑战“极限区”,对于“卡脖子”的领域应该优先考虑、重点实施,尤其对于短期内无法形成产业应用,但却长期制约科技发展的“无用之学”,做好前瞻布局尤为重要,要避免过分强调设施的经济带动效应、“GDP 杠杆”作用;第三,设施的规划还应考虑地域学科优势,发挥重大科技基础设施的集群效应,集中布局,形成有学科特色的多学科、综合性、大型科学航母,对周边地区的科技、经济和社会发展产生强大的辐射带动作用。通过顶层的规划,合理考虑装置的地域分布,提升地区内部大科学装置之间高效协同的能力,使得装置集群的辐射效应得到充分发挥;第四,在遴选项目过程中,应充分考察本学科的发展需求及设施建设需求的迫切性、不可替代性,开展必要的国际评估,引进先进的国际评估方法、理念,请国际一流的科学家参加评审,特别是书面匿名评审,以减少利益冲突和决策偏差,强调国际先进性和引领作用;第五,对专用研究设施,要重点考察项目的国际影响力,强调实质性的国际合作,国外的人财物贡献要有足够比重,如果连国际同行都说服不了,没有真金白银的国际贡献,项目的科学意义、独创性、可行性如何体现?事实上,成果的国际影响也需要通过国际合作来加强;第六,对一些新问题、新领域,可能孕育重大成果的领域也可以列入规划,在项目处于“种子期”就开始培育,逐步加大支持力度,长远规划实现可持续发展;第七,在国家层面设立的重大科技基础设施规划专门委员会,根据国家战略需求和国际科学研究发展动态开展建设规划工作,建立跨领域协调组,促进不同学科领域规划组之间关于设施科学研究目标的整合,统筹考虑各学科的全面发展,推动各领域呈现“重点突破,全面发展”的良好局面。

(三)设施建设中的技术引进比重偏大,关键部件的自主创新需进一步加强

习近平总书记强调,自力更生是中华民族自立于世界民族之林的奋斗基点,自主创新是我们攀登世界科技高峰的必由之路。重大科技基础设施是高端技术的集中运用,在设计和建造过程中所需的关键技术要通过不断创新得以攻关解决,部分技术需要通过国际合作引进。但是,有些科学设施关键技术引进比例过高,自我创新较少,核心的自主技术储备不足,这些“拿来主义”过甚的设施,从长远来看往往不具备核心竞争力,也无法通过自主研发过程锻炼队伍,缩小国际差距。如果技术源头没有掌握,还在别人手里,亦或自己的原创思想、技术,尤其可供“出口”的技术很少,即便设施是自己造的,我们在国际科学界的地位也不会高。

BEPC 的建造是在与世界各国高能物理界的密切合作中进行和发展起来的,通过国际合作,我们得以加快人才培养、先进技术引进的速度。在 20 世纪 80 年代,我国工业基础相对薄弱的时期,我们几乎从零基础开始BEPC 工程的研制,坚持自力更生的方针,坚持在吸收、消化、改进的基础上引进国外先进技术,进行自行设计、研制、安装和调试。凡能在国内生产的,绝不到国外去买,工程设备部件的国产率达到 90%。这一做法使人才队伍在工程实践中得到切实的锻炼,迅速成长为我国加速器、探测器技术的骨干力量。BEPC 是通过开展“以我为主”的国际合作实现共赢,同时提升自我能力的典型案例。这一过程不仅提升了装置建设队伍的技术水平,同时也带动了国内相关企业实现产业升级。

掌握关键核心技术是国家科技实力和国际竞争力的重要体现,面对目前尚未掌握的核心技术,要有敢于啃硬骨头的精神,进口采购尽管能够解决一时之需,但不能解决提升自身实力、不受制于人的问题,真正的关键核心技术是花钱买不来的,要掌握关键核心技术,提高国际竞争力,必须走自主创新道路。在设施立项审查阶段,应该将自主创新比重作为立项批复的重要指标。

(四)重大科技基础设施的预制研究环节没有得到足够的重视

不同于一般的基建工程,大科学工程兼具基本建设、科学、技术和工艺研究特点,不同种类之间差别很大,没有规范,也无先例可循,存在一定风险。因此在开始建设之前,做好充分的预制研究让风险可控,有着重要的意义。特别是早期,鼓励采用新原理、新方法、新技术,可以大大提高创新水平。也可以通过样机研制,在大规模实施之前充分暴露问题,准确估计造价,降低工程实施中的风险,提高工程建设以及未来设施运行的可靠性(樊潇潇,2019)。在工程中大批量使用的关键部件或工程样机,尤其要及早投入试验,通过预制研究比选不同的技术路线,确定最优的工艺方案。在预制研究过程中,提前确定质量控制点,建立质量控制程序,以及鉴定、检测所需要的技术方案和标定设备,比如在长途运输和大规模安装中所需要的特殊工装设备等。

由于国家的基本建设程序中没有明确设置预制研究这一环节,项目批复部门没有专门的经费渠道支持预制研究,工程建设管理程序中尚缺乏针对预制研究的规范化管理条例和办法。在项目立项管理过程中,对那些在技术上尚未做好准备,存在潜在技术风险的设施,是不具备立项批复条件的。为此,设施提出单位为了争取立项,常常节衣缩食东挪西借支持预制研究。很多情况下,科研人员只能采取保守设计,采用成熟技术,抑制了创新和技术水平的提高,也会影响工艺指标和造价。“技术要求越高,风险越大”正是大科学工程的特点,关键技术的攻关就集中体现了“研究”这一重要特性,预制研究阶段也是工程工艺、设备研制等创新活动最为活跃的阶段之一,预研的成果收益会远大于预研经费的投入。从这个意义上讲,做好预制研究是建设大科学装置的必要措施,需要得到管理部门的高度重视。

(五)预算管理存在不合理之处,限制了技术创新

大科学工程的经费预算来源于中央财政,合理规划国家预算资金对于保障设施按进度建设和运行,支持工程工艺创新,支撑一流人才的培育,产出重大成果有着重要意义。我国的大科学装置的建设经费参照基本建设工程的预算来管理,但是,科学设施不同于一般意义的基建工程,不仅具有基建项目的计划性和规范性,又有科研项目的不可预见性。如果经费管理过于强调规范就会限制创新,不必要的管理程序会造成对工艺创新的约束;太过灵活,又会导致经费使用不合理、浪费,甚至滋生腐败。建议在确保规范的前提下,制定能适应科学工程建设的经费管理机制,给工艺创新活动、工程技术攻关留有空间。

目前,我国现有的大科学装置建设经费预算中,缺少对工程实施过程中出现的技术攻关费用,缺少支持必要科研活动的经费,尤其是缺乏体现科学活动价值的人员经费支持,不可预见费比例也严重偏低。对标国际上的做法,我国的设施建设费用中没有间接经费覆盖建设单位必须支付的人员、前期工作等各种成本,并储备一些未来技术。建议制定相关政策,参考国际惯例,在大科学装置建设和运行经费里安排有一定比例的间接费,实事求是地支持科研一线的实际需求。

(六)设施缺少国际吸引力,国际贡献比重低,国际合作活跃程度不够

国际合作是现代科学研究的通用方式,大科学装置建设也不例外,但有其特殊性。一般来说,对于公共实验平台及公益基础设施,国际合作主要体现在规划、设计、建设等环节,通过咨询、研讨、评审等交流方式开展合作;在设施运行阶段,主要是设施开放共享,一定程度的材料及设备的互通有无等。对专用研究设施,因为科学目标具体明确,国际竞争激烈,科学家们常常需要寻找合作伙伴参加设施设计、建造与研究工作,除志同道合之外,还实现了在科学、技术上的互补,人员和经费投入上的互助。而经费管理部门一般乐见其成,在国外,国际合作甚至成为立项的基本条件。这是因为一方面有国际人员经费等投入可以减轻本国财政支出的压力,有限的经费可以支持更多的项目;另一方面也可以提高评审决策质量,减少主观因素,毕竟外国人较少牵涉本国的各种竞争与恩怨。如果一个项目有 4 个国家参加,就会被评审 4 次,远远好过自己的一次评审,大大降低决策风险。

发达国家对专用研究设施的支持包括本国主持的项目和参加国外的项目。各国针对二者的支持比例各有不同,一些欧洲的小国基本上是百分之百参加国外的项目;欧洲大国主持的本土项目目前大概在相关经费预算的 70%左右,其余 30%投入国际合作项目;而美国早年的自主项目大概在 90%以上,随着国外设施水平的提高和国内经费缩减,目前的投资比例降到 70%~80%;以前日本的自主项目大概在 50%~60%,水平提高后现在也提高到 70%~80%。可以看出,保持国内项目的主导地位,提升自主研发的核心竞争力,同时积极参与国际合作,分享国际成果和经验,二者缺一不可。

我国在公共实验平台和公益基础设施的国际合作问题不是太大,但专用研究设施的国际合作存在以下问题。其一,我国主持的本土项目国际合作比重较低,大部分停留在一般性的交流合作上,缺少实质性的经费投入和人员、技术贡献,导致我国专用研究设施国际领先性、国际影响和重大成果产出不足。究其原因,主要是我们基础薄弱,不易吸引国际贡献,其次是管理部门没有强制要求,项目也没有做到优中选优,没有形成强大的国际吸引力;其二,我国也较少实质性地、有显示度地参加别国的项目,缺乏国际影响,不易达到国际领先水平,缺少国际化人才队伍,也影响我们吸引国外投入本土项目。原因在于,我国的大科学装置建设由发改委负责,国际科技合作(参加国外项目)由科技部与基金委负责,两者没有按领域协调联动,科技部与基金委按“小科学”研究方式设计的管理体系,在项目遴选、管理方式、单个项目的经费支持力度、执行时间等方面严重不适应大科学装置国际合作的要求,造成申请无门,或者获得一点支持,但不满足实际需求。事实上,除个别特殊项目外,我国参加国外大科学工程的总经费只占国内设施经费的 1%~2%,远低于其它国家,也与我们目前需要提高的现状不相适应。

为此提出如下建议,一方面,在国内项目上提高国际评审的力度,努力提高国际贡献比重,必要时可以作为批准立项的强制要求;另一方面,大大加强国外专用研究设施的参与度,科技部与基金委可以考虑设立专项,采用适应大科学装置的管理方式,按照领域发展整体规划,考虑与国内项目在科学上的互补及技术发展需求,并考虑科学目标、风险、时机、规模大小、队伍、技术等各种因素,有计划地参与一批国外的大科学项目,争取达到国内项目经费 5%~10%的投入水平。

当然,我们说要国际合作,并非说什么都不如人家。事实上,自建造北京正负电子对撞机以来,我们已积累了丰富的经验和一整套管理体系,具有很强的针对性和可操作性。与发达国家相比,我们的体系更加实事求是,官僚主义更少,有更高的效率、更低的人员、设备和管理成本。虽然我们的技术积累较少、有经验的科学与技术人员不足,但我们有世界上最年轻、最有活力的队伍。事实证明,只要我们有足够的投入,有正确的项目,有合理的实施方案,坚持不懈,努力拼搏,就一定能实现我们的目标。

六、抓住历史机遇,在重点领域实现引领

(一)发挥制度优势,集中力量办大事,避免以量的扩张取代质的跨越国家重大科技基础设施是“大政治、大科学、大组织”的产物,越是重大的科学工程,越是国家长远利益的体现,需要国家最高层的决策部署。“我们最大的优势是我国社会主义制度能够集中力量办大事。这是我们成就事业的重要法宝”。当前,我们科技发展多处面临着“卡脖子”的被动局面,只有集中力量,才能保证重点,只有集中资源,才能实现快速突破,只有实现“互卡脖子”,才能走出受制于人的困境。集中决策的制度优势有利于重大科技基础设施规划建设的高效发展,有利于在国家战略层面实现设施建设的统筹布局。中共十八届五中全会提出要“积极提出并牵头组织国际大科学计划和大科学工程”(国发〔2018〕5 号),正是抓住了未来发展的一个关键和牵动全局的“牛鼻子”。

在重点的选择上,应该充分考虑国际科技发展态势,跟踪追赶和前瞻布局并重,识别并确保战略必争领域,充分考虑国家战略需求。一是要最大限度满足公益基础设施的现实需要;二是考虑国内用户水平和现实需求,适当前瞻部署公共实验平台;三是选择少数真正具有国际竞争力的专用研究设施,以我为主并吸引国际力量共同参与建设和运行,同时积极鼓励中国科学家参与国外的大型专用研究设施的设计、建设、运行与使用。

我国的政治体制机制、科学决策机制能够调动各方面积极性,集中力量协同攻关,对于国家重大科技基础设施的规划建设有着独特的优势。重大科技基础设施规划是国家意志的体现,需要国家层面的集中决策。在这一过程中,我们也要清醒的认识到,如果仅依靠设施数量的简单扩张,就无法实现从并跑到领跑的跨越,只有抓住机遇瞄准国际前沿,高质量地、宁缺毋滥地遴选并执行项目,解决别人不能解决的问题,找准着力点,才能在国际引领中赢得主动,打好基础长久的发展。

(二)将科学发展和国家战略相结合,准确判断突破方向,在重要领域抢占先机实现引领

当今时代,科学技术飞速发展,新原理、新技术、新学科不断涌现,学科之间的广泛交叉和深度融合,前沿领域不断延伸,人类认知不断拓展,新一轮科技革命正在孕育兴起,只有抓住机遇,找准突破方向,前瞻性地布局未来的科学设施,才能应对日新月异的科技发展做好支撑。面对科技创新发展新趋势,世界科技强国为了增强综合国力,都在积极寻找科技创新的突破口,大力发展大科学装置,推动基础研究、颠覆性技术,抢占现代科学技术发展的新高地。

我们在确定发展方向、抓住发展机遇时,也要考虑国情和发展阶段,不能盲目学习美国。比如物质科学是一切科学及其技术手段的基础,大力发展物质科学,是国家发展必不可少、无法跳过的一步。虽然美国等发达国家现在把很大一部分资源放在其它方面,但他们是从物质科学蓬勃发展的道路上走过来的。如果我们跳过了这个阶段,就会导致缺乏物质科学的人才和技术,只能买国外的仪器设备。目前,我国有大量的核心科学仪器主要依靠进口,就反映了物质科学研究水平及人才方面的问题。为此我们应该大力发展物质科学,包括在技术和科学目标上都领先的大科学装置(其设备自研比例可以达到 90%),这对技术积累、突破和推广应用,企业技术水平与研发能力的提高,为企业提供技术产品的首次实用机会,对国际合作与技术引进,关键技术人才的培养等,都有重要作用。

在充分考虑领域均衡发展的同时,要避免“撒胡椒面”,要有计划有重点地发展关键领域和方向,要考虑“大科学”与“小科学”的平衡。大项目自然不能保证百发百中,但除了看到风险之外也要看到机遇,风险不是不作为的理由。有些重大成果只能通过重大投入产生,如果达到国际水平,其重大成果产出几率也是可衡量的。对于新兴的科学领域或有争议的工程建设项目,在立项决策时不能一味要求绝对的共识而回避矛盾,通过普遍撒钱的权宜之策在短期形成皆大欢喜的和谐局面,长远来看错过了产生重大成果的契机。事实上,如果我们看现有的重大项目储备并预估 20 年以后,还是挺令人担忧的。当前,基础前沿科学研究正在发生或酝酿重大突破。这些可能的重大科学突破不仅将给相关领域带来深刻的革命,还可能产生重大的科学技术创新,转化成为改变生活方式的巨大生产力。高能物理和宇宙学是人类向极小和极大认知边界不断拓展的重要学科,面临着超出标准模型物理、暗物质和暗能量的重大挑战,其突破也需要重大技术革命,是我国科技发展、特别是大科学基础设施发展前所未有的机遇。激烈的国际竞争要求我们尽快找准突破口,有效布局和建设国际领先的重大科技基础设施,为重大科学发现和战略性、颠覆性技术创新提供一流平台,为基础科学发展形成强有力的支撑。

(三)以重大科技基础设施建设为抓手,创建国际科学中心

当前,国际科学发展正处于科技创新与转型发展时期,重大的科学发现越来越依赖于大型的科学设施、跨学科领域的科研团队。国际上形成了许多依托大科学装置群的大规模国家实验室,并围绕其发展出了以科学设施和高端人才集聚为特点的国家创新中心。党的十八大以来,《中共中央国务院关于深化体制机制改革加快实施创新驱动发展战略的若干意见》、《国家创新驱动发展战略纲要》等战略规划和指导意见,提出发展以重大科技基础设施为核心要素的综合性国家科学中心,加快建设具有全球影响力的科技创新中心。

目前,国家已经布局了 4 个国家级科技创新中心,包括北京、上海、合肥和粤港澳大湾区,大科学装置建设是重要抓手,是这几个地区的创新地标,发挥着重要的集聚和支撑作用。可以想见,这些重大科技基础设施必须在科学与技术水平上引领国际,才能支撑具有全球影响力的科技创新中心,提升我国整体科技发展水平,以实现建设世界科技强国的目标。

现代科学正处于从观测、理解物质向操控物质和能量过程转换的时期,开展多维度、多尺度、多参量下的多学科交叉研究成为主流。大科学装置集群强大的支撑能力和多学科属性恰好可以实现和有效推进跨学科融合发展,衍生新兴学科,为科研人员的多元协同创新提供有效的支撑。以中科院高能所为例,其目标是将基础科学和高技术相结合,以若干相互关联的大科学装置为依托,面向世界科学前沿、国家重大战略需求,从事粒子物理和粒子天体物理研究、先进加速器技术研究与开发应用、核探测技术研究及应用、先进射线技术研究及应用,以及基于大型科学平台的多学科研究。粒子物理专用研究设施是尖端技术的引领,应用型公共实验平台是专用粒子物理加速器、探测器技术的延伸,空间实验技术大量来源于粒子物理实验的相关技术。通过建设若干这类研究中心和国家实验室,链接多学科交叉的动脉,打通从基础科学研究到高技术研发和技术转移转化的创新链条,在实现科学与技术引领的同时,也实现技术、人才、管理的推广、溢出与发展。

依托大科学装置群形成强大高效的现代科学中心,提升整个中心城市以及周边区域的创新能力,吸引众多企业聚集,促成产业创新升级,形成前沿科学、先进技术和新兴产业的相互结合与良性互动,造就科技创新的高地(王贻芳,2017),这是一个城市乃至国家提升核心竞争力的必由之路。

七、结语

随着社会经济的不断发展,国家正经历着深刻的变革与转型,各项事业都处在大跨越的发展时期,尤其在基础设施建设领域,正在经历世界上最大规模的建设阶段。国家重大科技基础设施是科技领域的“超级工程”,党的十八大以来进入了统筹布局、快速建设的时期,在十二五、十三五期间,规划建设的大科学装置有 26个,取得了前所未有的成就。然而,相比国计民生领域的“超级工程”,国家重大科技基础设施的建设明显滞后,还不足以支撑我国由科技大国到科技强国的历史性战略转变。

发展国家重大科技基础设施应具有全球视野和前瞻目光,着眼科技前沿的重大命题,围绕国家重大战略需求,把握好科学突破的机遇,重点布局一批大科学装置,打造事关长远和全局的科技创新策源地。应该发挥我国制度优势,集思广益、凝聚力量,集中力量实施国家重大战略,有选择地重点发展聚焦重大科学命题的专用研究设施,支持自由探索的基础研究和基础技术研究,优先发展科学用户亟需的公共实验平台、公益基础设施。

当今世界,新一轮科技革命蓄势待发,物质结构、宇宙演化、生命起源、意识本质等重大科学问题借助现代科技基础条件、新型的研究工具,正在发生或酝酿着重大突破,开辟新前沿、新方向。物质世界从微观的亚原子到宇观尺度仍然蕴藏着无法估量的发现空间,人类在探索物质世界的过程中,也拓展了认知边界,改变了思维方式、生产方式、生活方式,针对深层次物质结构的研究是国际共同关注的前沿领域,是众多应用科学领域取得突破的基本前提,必须有世界一流的设施为重大突破做好支撑。

随着科技发展,研究活动越来越要求对物质和能量进行精细化的测量和控制,重大科技基础设施在科研活动中的作用尤其凸显,研究目标的复杂性对设施的技术指标提出了更高要求。依托性能优越的大科学装置,推动综合性国家科学中心的建设发展,加快打造具有全球影响力的科技创新中心,建设若干个大科学装置集聚、有强大牵引力的创新型城市和区域创新中心。人才是国家创新的源动力,随着世界科技发生深刻变化,科技人才在全球广泛流动,大型科学设施的布局改变了世界的创新格局,我们要通过科学设施、科学中心的建设,吸引人才、留住人才、培育人才,增强我国主导国际人才流动、集聚的能力,提升国家创新能力,引领全球创新。

回望历史,1988 年,新中国第一台大科学装置 BEPC 建成,2013 年,《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012~2030 年)》颁布,提出了大科学装置建设以提升原始创新能力、支撑重大科技突破和经济社会发展为目标;2016 年底,《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》颁布,提出了设施建设以深入实施创新驱动发展战略和建设世界科技强国提供有力支撑为目标。当前,我国已经实现了小平同志提出的“中国必须在世界高科技领域占有一席之地”的战略目标,开始进入“全面发展”阶段。一大批设施完成建设,逐步进入由数量积累向高质量发展的阶段,呈现了由大到强、多领域覆盖的良好局面。为了实现“全面领先”、“建设世界科技强国”的愿景,我们还需要加大步伐,把握好世界科技革命的突破方向,有胆量和勇气在部分领域规划和建设国际领先的重大科技基础设施,实现“两个一百年”的历史目标,实现中华民族伟大复兴。(作者单位:中国科学院高能物理研究所。责任编辑:闫妍)

注释:

①由中国科学院大科学装置发展战略研究组于 2003 年 6 月编制的《我国大科学装置发展战略研究和政策建议》对科学设施的界定和类型做了详细介绍

②⑨国际高能物理界提出了下一代对撞机的设计方案,相关方案来源于可参考(1)CERN,2019,Conceptual

Design Report for theFCC,FCC study office,https://fcc.web.cern.ch.(2)The International linear collider technical design report,2013.

http://www.linearcollider.-187-org/ILC/Publications/Technical-Design-Report。中国提出的方案可参考CEPC Design Report Released.

https://www.interactions.org/pressrelease/cepc-design-report-released .

③Brookhaven National Laboratory,2020,Department of Energy Selects Site for Electron-Ion Collider,https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=116998.

④统计数据来自于中国科学院条件保障与财务局编制的《2019中国科学院重大科技基础设施年度报告》

⑤数据来自于 CERN 官方网站,https://home.cern/about/who-we-are/our-people.

⑥在关于大科学设施经济影响的众多研究中,针对美国的高能对撞机、欧洲的大型强子对撞机、未来的国际直线对撞机对本文有直接的借鉴意义,可参考 John Womersley 的报告 Impact of the Tevatron

on Technology and Innovation.(http://www.fnal.gov/pub/tevatron/files/120611Womersely.pdf),Bianchi-Streit 等人的报告 Economic utility

resulting from CERN contracts (second study).(http://cds.cern.ch/record/156911/files/CERN-84-14.pdf),野村综合研究所关于计划中的国际直线对撞机的分析报告《ILC 的经济波及效果》,(http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/chousa/shinkou/038/gaiyou/1357655.htm)

⑦数据来自于国家自然科学基金委员会《2019年度部门预算》。

⑧数据来分别自于美国自然科学基金会(U.S. NSF)2019 年度报告:《Publications Output:U.S. Trends and

International Compari⁃sons》,https://ncses.nsf.gov/pubs/nsb20206/,以及世界知识产权组织(WIPO)2020 发布的《World

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文章来源:本文转自王贻芳,白云翔.发展国家重大科技基础设施 引领国际科技创新[J].管理世界,2020,36(05):172-188.,转载请注明原始出处,并遵守该处的版权规定。

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