大科学引领大发现时代

军事科学院 副院长

中国科学院 院 士 贺福初 少将

发现是科学的基石。发现，基于对已知世界的认识和对未知领域的探索；重大发现，既要坚实的积累推动，又需天才的思想牵引。科学史上，积累可以持续而恒速，而天才的思想历来是可遇不可求。因此，“厚积薄发”的现象屡见不鲜。当人类对某个领域的认知经过长时间的积累而达到一定程度时，会突然出现一个甚至数个划破历史长空的科学大家，应承时代的召唤，指引纪元的更替，促发重大发现蜂拥而至，并迅即汇聚成滚滚洪流，冲破已有理论信条的桎梏，将该领域的理性认识推上革命性的全新的境界，使一个或多个相关领域呈现爆发式成长、脱胎换骨，乃至革命性突变，促使该领域进入“大发现时代”。

一、 历史上的大发现时代

两千多年前，古希腊毕达哥拉斯学派开启了自然科学的第一个大发现时代。他们相继发现：算术的本质是“绝对的不连续量”，音乐的本质是“相对的不连续量”，几何的本质是“静止的连续量”，天文学的本质是“运动的连续量”。因此认为，数学是通向理念世界的必备工具。后来两千余年的历史表明，数学作为整个自然科学的灵魂与“通天塔”，正是其不断推陈出新，才奠定了以后各学科“大发现”的基石。

地理学的大发现时代爆发于短短的40年间，却影响了世界数百年的格局。15、16世纪之交，以“地球说”为理论指导，地球上不为文明世界所知的地域和航线不断被发现。1485年，哥伦布发现北美大陆。1497年，达·迦马发现印度洋和印度。1498年，哥伦布又发现南美大陆。1519年，麦哲伦发现南美大陆最南端海峡，找到大西洋直达太平洋的通路；1521年，麦哲伦发现太平洋。从此，开启西方和现代文明的新篇章。地理学大发现所引起的观念革命，不亚于它所带来的经济后果，突破了亚里士多德和托勒密创建的知识范畴与视野，促使欧洲知识阶层从近两千年来对经典神律的顶礼膜拜中猛醒，为近代科学革命开启了批判的理性天窗和革新的精神动力。

天文学虽与数学一样古老而成熟，但在16、17世纪之交，以革命性的“日心说”为指南，凭借望远镜技术，才迎来新的大发现时代。1572年，第谷发现木星、土星及其运行规律，5年后又发现了彗星。至此，太阳系存在46亿年的九大行星，在10年内被发现了三分之一。1600年，开普勒在第谷观测数据的基础上，苦寻宇宙秩序，拨云见日，很快发现了第一、第二定律，并将其推广至太阳系所有行星；不久，他又发现第三定律，并用三大定律将所有行星运动与太阳紧密联系于一体，使哥白尼“日心说”由悬空的假说落地为有实证依据的理论体系。

18世纪，气体、元素相继被发现。1756年，布莱克发现二氧化碳。1760年，丹尼尔·卢瑟福发现氮气。1766年，卡文迪许发现氢气。1774年，普利斯特发现氧气。这些气体的发现，使拉瓦锡于1789年将“燃烧”科学定义为“氧化”，推翻了统治化学界上千年的“燃素说”，并提出元素学说，开创了化学的新纪元，将此后的数十年带入化学元素大发现时代。存在于宇宙138亿年的上百种元素，有一半以上，在这一历史瞬间被人类发现，从而催生了化学革命。

19世纪下半叶，迎来了微生物学的大发现时代，成就了现代医学史上第一次革命。1856年，路易·巴斯德指出，“所有的发酵都是由微生物引起”；1859年，他推翻了“自然发生论”；1860～1880年，又以工业上酒发酸、农业上丝蚕病、医学上传染病等一系列惊世难题的成功处置，奠定了“疾病细菌说”。半个世纪里，微生物学不仅突破了传统、直观意义上动物界、植物界的边界，打开了其种类、其作用均不亚于前两界的微生物界，而且凭理性之光，让蔓延并横行人间数千年的“瘟疫”“瘴气”在黑暗与愚昧中现形，并迅即为现代医学的第二次革命——抗生素革命开启了大门。

20世纪则被称为“基因的世纪”，基因几乎主宰了上个世纪生命科学的神话。1900年，德佛里斯等独立重现了孟德尔遗传定律。1910～1930年，摩尔根发现基因连锁定律，建立了完整的基因遗传理论体系。1928年，格里菲斯发现肺炎双球菌转化因子；1944年，艾弗里用生化方法证实其为DNA；1951年，德尔布吕克、蔡斯等人用同位素标记法确证遗传物质为DNA；1952年，查伽夫发现DNA碱基组成定律。1950年，阿斯特伯里等获得了DNA的X射线衍射图。1953年，沃森等提出DNA双螺旋结构模型，并指出：碱基特异性配对可能是遗传物质复制的基础，碱基排列顺序可能就是携带遗传信息的密码。这些革命性的猜想，迅即掀起了划时代的分子生物学的兴起，不仅揭示了38亿年的遗传之谜及其遗传密码，还揭示了统一大千生命世界的中心法则，产生了比“创世纪”更伟大的基因工程！

二、 大科学计划成就科技大国

科学的诞生，源于人类理性觉醒后至真、至美、至善的可思性内生张力，力在悟性；而科学的鼎盛，则赖于其实用价值，尤其是独特价值突显后至实、至用、至效的可视性外在引力，力在物性。正因如此，科学在最近五百年间不断鼎新人类文明的同时，自身也被现代文明彻头彻尾地重塑。比如，科学研究体制与模式。

17世纪以前的上千年，科学研究活动一直以最初的个人或学派自由研究为主，18世纪发展到松散的学会形式，再到19世纪的集体模式，20世纪则迅速上升到国家规模甚至国际规模。进入新世纪，科学已成为一项重要的社会事业，甚至成为国家或地区重要的战略产业，科学技术纵横捭阖的一体化潮流势不可当。一方面，科学整体化、技术群体化；一方面，科学技术化、技术科学化。其中，大科学研究范式一马当先，谱写了不朽的鸿篇巨制。当代全球产业的风向标——从信息技术、空间技术到新一代生物技术，无一例外，均源于大科学工程。美国更是凭借一系列大科学计划拔地而起、脱颖而出，首超欧洲之师，继越苏联之敌，迅速成为科技史上新的“盟主”。

美国科学的兴起，得益于英国的科学传统和德国的科学体制。美国国内资本生产力创造的强大物质基础，加上独立战争与南北战争所形成的社会民主氛围，以及受实用主义哲学的深刻影响，使其科学的起飞一开始就踏在“巨人的肩膀上”。整个19世纪，这个年轻的国家以其技术上的创造性闻名天下。1890年，美国工农业生产总值超过英国、法国、德国，位居世界首位。但此时的美国科学，只是“再版的英国小科学”和“再版的德国实验室”。

美国虽然爬上了“巨人的肩膀”，但并未在其肩膀上站起来。美国科学的起飞，是在第一次世界大战以后，确切地说是在实施两大科学计划之后。1941年，珍珠港事件爆发；次年，曼哈顿原子弹研制计划实施，标志着美国“大科学”研究的开始，同时也揭开了人类进入“大科学”时代的序幕。1945年，两颗原子弹相继在日本爆炸，迫使日本天皇求败，宣告第二次世界大战结束。1957年，苏联人造卫星上天，美国随即掀起以阿波罗登月计划为标志的第二次“大科学”研究浪潮。其后，正是凭借曼哈顿计划发展的原子能技术，以及阿波罗计划开发的制导和控制领域的新技术，美国主导了战后半个世纪全球武器装备的革新。而曼哈顿计划发展的一至五代计算机技术尤其是网络技术，以及阿波罗计划完善的卫星技术，直接构成了当前信息化军事革命的基石。正是这类科技创新，把美国送上了一尊独大的“霸主”地位。

两大科学计划，不仅保障美国赢得了第二次世界大战和冷战，而且令其茅塞顿开，进而确立了政府不因党争轮替而动摇的“铁石战略”：全力实施大科学计划，稳固其超一流科技大国的地位，并以此为龙头，带动美国高技术的发展。每当美国政府需要调动全国科技力量联合攻关，用科技助力国家安全，以及推动工业提升国际竞争力的时候，就会推出“大科学计划”。随着美国政府“领导世界”的欲望愈强，面临世界经济和军事竞争的压力愈大，其大科学计划的规模就会愈大，项目就会愈多。美国一直自我标榜长期搞市场经济，崇尚自由，反对“计划”；但每遇重大事件，都能再三动员，并集中国家规模的科技资源用于大科学研究，足见其“大科学计划”背后国家战略至上、原创战略制胜的灵魂和法宝。美国这种“领导”世界的欲望，决定了其必然把有益于提高综合国力的“大科学计划”继续下去。

正如信息化军事革命中，美军全盘借用苏军革命性理论一样，对于“规划科学”甚至“大科学”模式，美国同样是暗自接受了苏联“十月革命”后创立的理念。苏联在20世纪20年代首创的“大科学”事业和“规划科学”思想，起初被西方视为“布尔什维克瘟疫”。但是，第一次世界大战和经济大萧条，迫使资产阶级政治家懂得了：科学的应用并不是科学本身能解决的问题，而先发现人类的各种需要，然后再经精心思考和严密计划，才能找出方法，从而满足这种需要。科学功能的这种意识，的确是20世纪社会革命最突出的特征之一。英国科学史家贝尔纳一针见血地指出了“十月革命”对“大科学”形成的历史贡献。

苏联的“规划科学”思想，通过1931年在伦敦召开的第二次世界科学史大会，传到西方。此次大会，苏联派出了以布哈林为首的代表团，苏联学者充满革命与科学精神的论文，把科学史上一种全新的视角展现在西方地平线上。此次会议后，贝尔纳开始对英国与苏联进行穿梭式访问，考察后发现：借助“大科学”计划，苏联的科技事业，特别是关系到国家安全的国防科技和工业科技得到突飞猛进，发展水平与美国旗鼓相当，发展速度甚至高出一筹。进而令他确信：苏联的“大科学”模式是对的，其规划科学取得了成功。以贝尔纳为首的西方左翼集团从此开始科学学、“大科学”的研究，继而出版了享誉全球的著作《科学的社会功能》。战后，贝尔纳还自觉将“大科学”原则，用于英国等西方各国科学事业的重建。1962年，美国科学学家普奈斯出版了著作《小科学，大科学》，使“大科学”思想登堂入室。终于，美国也实现集“大科学”实践、理论之大成。

苏联的“大科学”思想，随着共和国的新生，也传到了中国。20世纪50年代初，积弱积贫上百年的中国几近崩溃边缘。中国共产党执政后，面临百废待举、百业待兴的紧迫任务。在西方全面围堵、封锁的背景下，中国别无选择地走上苏联兴国强军的国防科技发展道路，也就是“规划科学”“大科学”的发展道路。党中央、国务院在确定国防科技发展方向、选择重点攻关领域方面，充分借鉴苏联老大哥“规划科学”“大科学”的成功经验；在调集力量、组织攻关方面，大力发扬我党在长期武装斗争中积累的“集中优势兵力打歼灭战”“大兵团协同作战”的成功经验；在兼顾科学决策与行政管理权威方面，我党大胆起用钱学森、钱三强等一批培养于旧中国、成长于西方列国，但拥有强烈爱国心和卓越科研、管理能力，并在专业领域具有强大号召力的科技领军人才。事实证明，这条道路是正确的。“大科学”模式不仅在美国、苏联可行，在中国也是完全可行的。“两弹一星”，不仅护佑了新生的人民共和国，而且令中国人民从此挺起腰杆，更持续为中华民族的伟大复兴保驾护航。

不难看出，“大科学”之道，是自强之道，更是王者之道。冷战结束，“星球大战计划”受阻。中国崛起，“脑计划”新启。其中况味，值得深思。

三、 大科学引领新的大发现时代

人类理性对物质世界、人类社会和精神世界的认识，其最高境界是智慧；而要达此境界，必然经过数据、信息、知识三个层阶。其中，数据是信息之母、知识之初、智慧之源。大科学的王者之道，始于大数据的产生。

人类历史上的大数据，源于科技领域，确切地说，源于大科学研究。曼哈顿计划打开了微观世界，开创借用人造大科学设施洞开微观世界的崭新方法论，并以此为依托，启动了一系列大科学计划，产生了史无前例的超大规模数据。比如，位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心，由全球85国逾八千位物理学家合作兴建的大型强子对撞机，2008年试运行时，数据量即达到25PB（1PB=10万亿比特）/年，2020年完全建成后，将达到200 PB/年。因此，这些科学家率先提出了“大数据（Big Data）”概念，并首创“大数据”理论与技术体系。

无独有偶，旨在测定人类基因组30亿碱基遗传密码的基因组计划，在进行个体基因组测定时，数据量已高达13 PB/年。此后，生物医学界受其鼓舞，又开展了一系列包含遗传背景迥异、不同疾病人群，以及大量其他物种的基因组测序，数据量迅速逼近ZB（PB的百万倍）级。这些专家学者终日与海量数据为伍，不约而同地创造了“大数据”科技体系。互联网，最初就是这些领域的专家为解决海量数据传输而发明的。由此可见，正是“大科学”开启了“大数据时代”。

21世纪的大科学研究，不仅开启了大数据时代，也光大了大发现时代。例如，人们通过大型强子对撞机，在不到五年的时间里，就实现了对“上帝粒子”希格斯玻色子（Higgs boson）的重大发现。它的存在，是最新一代“大一统理论”（Grand Unification Theory，GUT）——“标准模型”（Standard Model，SM）的预言，而这一模型理论，是统一描述物质世界强力、弱力和电磁力三种基本力，以及组成所有物质的基本粒子的理论，从而揭示了基本粒子为何拥有质量并演化为万物的“密钥”，使人类向破解宇宙诞生之谜迈出决定性的一步。在“上帝粒子”发现的第二年，预言者被授予了诺贝尔物理学奖。

被誉为“生命登月计划”的人类基因组计划，开启了生命研究的大科学时代。中国作为6个参与国唯一的发展中国家，承担了该计划1%的任务。十年间，人类测定了已存世二百万年的基因组这部天书的完整序列。初步确认，其拥有两万余个蛋白质编码基因，而此前一个世纪，人类仅发现其总数的零头。此外，由于人类基因组中蛋白质编码序列不足总序列的百分之三，因而，继物理世界发现暗物质、暗能量之后，生命世界也可能发现“暗信息”这一最新大陆，人类理性得以阅读亿万年生命进化中亘古累积、造化神就、通灵达慧的奥秘。仅此意义，就不亚于燧人氏取火点亮文明之光。其后十年间，生命科学还完成了人类七百余种疾病和性状的基因组关联研究，新发现的五千余种致病基因和重要性状基因，10倍于前一百年的总和。

被称为“生命返地计划”的人类蛋白质组计划，起步于人类基因组草图公布的2002年，旨在解读人类基因组“天书”，揭示人体各器官其基因组相同但功能迥异的“达·芬奇密码”。从始至今，中国主导着该计划的总体设计与实施，开创了中国领导世界重大科技项目的先河。2005年，中国参与的“血浆蛋白质组计划”，公布了首个人体体液蛋白质组。2010年，中国领导的“人类肝脏蛋白质组计划”，公布了首个人体器官蛋白质组，鉴定出6788种蛋白质，其中半数以上在人类肝脏中首次发现，四分之一为人体首次发现蛋白。可以说，人类撩开了组成自身机体体液和器官密码的神秘面纱。

人脑是自然界最复杂的系统。认知、意识、情感的产生机理是自然科学的终极目标，解读人脑，成为国际科技竞争的巅峰战场。2013年初以来，“人类脑计划”相继在欧洲、北美洲、亚洲依次展开。2013年1月，欧盟启动了10年内投入12亿欧元的“人脑项目”，主要目标是采用大型计算机模拟人脑运行方式，即“创造脑”。4月，时任美国总统奥巴马宣布，10年内投入45亿美元实施“推进创新性神经技术脑研究计划”，旨在探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图，并最终开发出针对大脑疾病的疗法。9月，日本宣布其脑科学计划主要通过对非人灵长类动物狨猴的研究，来加快人类大脑疾病（如老年痴呆和精神分裂症）的研究。即将启动的“中国脑计划”，是从认识脑、保护脑和模拟脑三个方向展开研究，逐步形成以脑认知原理、脑重大疾病、类脑人工智能三方面交织的“一体两翼”研究格局。

概而言之，科技已成为人类文明进步的引擎，更是近代以来大国崛起的发动机。“大科学”范式，已被证明为现代强国的发射塔。国务院2018年初颁布的《积极牵头国际大科学计划和大科学工程方案》，吹响了中国迈向科技强国新征程的集结号。中国科技正开启大科学时代。我们正全力以赴迎接人类新的大发现时代。