如何依托大科学设施实现科技引领

王贻芳 白云翔

（中国科学院高能物理研究所）

大科学工程又称为国家重大科技基础设施或大科学设施（或简称为设施），是指通过较大规模投入、设备研制和工程建设，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。[1]设施的“大型”特征源于拓展人类感知能力的自然需要，承载了复杂而又众多的创新要素，“重大”也体现在能否支撑新一轮科技创新。大科学工程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。上个世纪中前期，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高能物理研究中心，建造了一系列的核反应堆和大型加速器。依托大科学设施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。[2]

一、我国设施整体实力显著增强，但与世界科技强国相比尚有差距

我国重大科技基础设施建设起步于上世纪80年代的北京正负电子对撞机（BEPC）。此后，我国陆续建成了一批大科学设施，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）、散裂中子源（CSNS）、500米口径球面射电望远镜（FAST）等设施。截至目前为止，全国运行和在建的大科学设施超过50个。已经建成的这些科学设施瞄准国际学术前沿和国家战略高技术发展需求，相关工作达到或接近国际水平。但与世界科技第一梯队国家相比，我国的设施建设起步较晚，设施的技术水平总体上以跟踪追赶为主，不能支撑一流的科学研究需要，也无法吸引一流人才，产生重大原创性成果。我们在科学与技术上能达到国际领先水平的设施少，与队伍水平创新能力有关，也与投资规模相关，这些因素都限制了我们获得重大科学产出的机会，这些差距也需要我们有更加清醒的认识。以美国为例，在能源部旗下管理的17个国家实验室均有数量相当的大科学设施作为国家创新能力的强大支撑，再加上国防部、国家科学基金会、国家航空航天局等部门的重大设施，拥有设施的总量远远超过我国（见表1），这一庞大的体量造就了美国科技领先世界的硬实力。

表1 中美两国按领域划分的在运行设施分布对比

为满足国家经济社会和科技发展的需求，赶超世界先进水平，我们一方面要在设施总量上加大规模，另一方面也需要在单个设施的体量上和技术指标上加大规划建设力度，瞄准世界一流的工作，高水平、高起点、有重点地选择建造一批国际领先的大科学设施，尤其是对物质结构、能源、材料、生态环境和人类健康等领域的研究能够起到支撑并产生突破的设施，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，逐步缩短与世界科技强国的差距。

二、进一步重视大科学设施在国家创新体系中的独特作用

大科学设施是为了满足现代“大科学”研究的需要而建造的科学设施，有特定的科学目标，是人类拓展认知能力、发现新规律、产生新技术的必要手段，设施的水平和能力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。作为重要的创新基础，大科学设施是国家创新体系的重要组成部分，能够为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。[3]

鉴于大科学设施对于现代科学发展所产生的深刻影响，我国在强化创新驱动战略的举措中，明确把重大科技基础设施列为主要创新基础能力，并提出了加快建设的要求，强化在创新体系中的作用。形成了以目标为牵引，问题为导向的发展规划原则，紧密围绕2050年建成世界科技强国的目标，把设施的科技创新支撑能力聚焦于破除发展瓶颈、增强国力和国际竞争力，以及带动科学技术水平全面提升的科学前沿上，特别是制约全面发展的短板和发展受制于人的科学技术前沿上。我们需要认清设施在我国创新驱动发展战略中的重要意义，在战略规划、经费分配方面给予足够的重视。

大科学设施是实施创新驱动发展战略的重要抓手，也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，[4]可以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，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。目前，我国已经布局了四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，[5]大科学设施是这些中心的创新地标。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，才能对国家创新体系形成强有力的支撑，提升我国整体科技发展水平，[6]这是一个城市乃至国家提升核心竞争力的必由之路。

三、我国科学设施对基础研究的支撑偏弱，要抓住基础研究命脉发展设施，增强原始创新能力

“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”，在国家竞争力比拼的过程中，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，要高度重视设施对国家创新体系的支撑作用，尤其是对基础研究的支撑作用。2016年7月28日，国务院发布了《“十三五”国家科技创新规划》，指出并强调“以提升原始创新能力和支撑重大科技突破为目标，依托高等学校、科研院所布局建设一批重大科技基础设施，支持依托重大科技基础设施开展科学前沿问题研究。”这是增强我国自主创新能力，加强基础科学研究的重要举措。支撑基础科学研究是重大科技基础设施建设的重要目标。如何基于科学设施不断的产生创新成果，推动基础研究取得突破性的、原创性的进展，是一个重大课题。2018年1月31日出台的《关于全面加强基础科学研究的若干意见》中，特别强调了完善基础研究布局加强设施建设，“加强基础研究和应用基础研究，围绕科学前沿和国家需求加强重大科学问题超前部署；优化国家科技计划基础研究支持体系；优化基础研究区域布局；推进国家重大科技基础设施建设。”目前，我国已投入运行的设施共27个，用于国际重大科学前沿问题研究的专用研究设施仅7个，而美国的58个设施中，有将近一半是瞄准能源、粒子物理、空间天文、地球物理等基础研究领域的重大命题而建造的专用研究设施。相比服务于“小科学”的公共实验平台设施和公益基础设施，专用研究设施对于相应领域的特定科学问题取得重大突破有强大支撑能力，而这些特定的科学难题是攀登科学高峰必须攻克的堡垒。

我国在设施遴选规划过程中，需要特别重视专用研究设施在基础研究发展中的重要作用。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。为保证设施建设规划的战略前瞻性，发挥设施在基础研究中不可替代的优势，需要进一步加强国家层面的设施长远规划和建设的战略布局，加大基础科学研究在设施建设规划指导意见中的比重。加大力度提升设施在科学运行期间对基础研究的开放共享，优先保证基础研究用户的需求，设施运行管理部门可以将面向基础科学研究用户开放的机时作为设施运行绩效管理的后评估指标；科技主管部门和基金管理部门在制定项目指南过程中，考虑设立依托科学设施开展前沿科学研究的专项资金申请通道，加大支持力度。

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，还可能产生革命性的科学技术创新，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，这些机遇也是未来我们实现引领的突破口。[7]

四、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”，我国具备实现引领的优势

科技发展进入20世纪后取得了巨大的进步，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。100多年前，我们发现世界是由原子组成，原子是由原子核和电子组成，后又发现原子核是由质子和中子组成的，之后我们逐步发现质子和中子还有更深层次结构——夸克。人类在不断深入到物质微观结构新的层次的研究过程中，取得了物质结构理论的伟大跨越，约1/3的诺贝尔奖从这一领域中诞生，通过不懈探索，人们不仅没有走到未知的尽头，而是惊奇的发现，我们所能理解的只占物质世界的5%，剩下的95%是所知甚少的暗物质、暗能量，物质世界的认知版图仍然存在巨大的空白，绝非“盛宴已过”。在粒子物理学不断打开新窗口的同时，也催生了重大的技术发明，转换成为巨大的生产力。这些重大的成果都离不开大型加速器等大科学设施的支撑，每一次发现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，[8]也产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。在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。

北京正负电子对撞机（BEPC）是我国在物质科学领域规划的第一个大科学设施。基于BEPC的成功建设和30多年的科学运行，中国的高能物理研究实现了跨越发展，我国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、探测器研制队伍和高水平的物理分析团队。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新的转折点，建造希格斯工厂是未来高能物理发展的必由之路。为此，我国科学家早在2012年就在国际上首先提出建设环形正负电子对撞机（CEPC）的计划，[9]欧洲核子中心（CERN）在2013年提出了建造100公里周长的未来环形对撞机（FCC）计划，[10]我们的近邻日本也早就提出了国际直线对撞机（ILC）计划，以精确研究希格斯粒子的性质。在其它方面，世界科技强国也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。[11]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，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，需要有世界一流的设施为重大突破做好支撑。

五、设施工艺指标不足以体现引领，领先就意味着要迈开大步，敢于挑战无人区，敢为天下先

经过长期的积累，我国已逐渐走出跟跑、并跑阶段，要进一步实现领跑。既然要实现领先，就必须有超越现有水平数倍、数十倍的目标，对未来领域能够形成超强支撑能力的前瞻规划。如果在技术指标上没有数量级上的突破，在工艺方案上没有变革性的创新，就谈不上引领，更无法实现长期引领。同时，我们也清醒地认识到，如果仅通过设施建设数量的简单扩张，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，宁缺毋滥地遴选项目，高质量地设计、研制、建造设施，解决别人解决不了的问题，才能在国际竞争中赢得主动。高能粒子对撞机是用来开展物质深层次结构研究的大型科学设施，世界科技强国都拥有性能优越的对撞机（见表2），这些性能指标不仅反应了设施的实验探索能力，直接影响科学成果产出的水平，同时也能反应本国技术研发水平和工业制造生产能力。因为，对撞机的这些性能指标的实现需要通过大量先进技术作为支撑，诸如高场强的超导磁铁和微波加速腔、超高真空系统、高功率微波源、大规模极低温系统、快电子学技术等，这些革命性的技术升级当然也需要较大的经费投入。“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，只有超前的提出设计指标，发展更高的技术和工艺，才能确保科学设施在一段时期内的先进性，实现持续引领。对标世界科技强国当前的技术标准以及未来高能物理发展的需要，中国现有的高能粒子对撞机的性能指标、建设规模需要亟待提升。

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，也让我们失去了通过自主研发锻炼队伍的机会。我们必须客观地认识到，我国创新能力在很多方面还处于模仿和集成的水平，需要尽快摆脱跟踪他人的局面，要把核心技术掌握在自己手中，而不是依靠国际采购。是否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。如果技术源头没有掌握，还在别人手里，自己缺少原创思想、技术，尤其可供“出口”的技术很少，即便设施是自己造的，也无法在国际上领先。在立项时，可以把自主研发占总投资的比例作为批复立项的依据之一。

表2 国际高能粒子对撞机主要指标与成本比较

在项目规划和遴选环节，要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，着重强调设施在科学目标和技术路线方面的原始创新能力，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。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，市场的需求按市场规律推动，国家战略要做市场做不到的，做市场不做的。要强调科学上的重要性，要有革命性突破，而不是改良式的、渐进式的知识积累与增加。要强调方案的创新性和独特性，不能是别人方案的简单放大或复制。在遴选项目过程中要开展必要的国际评估，强调国际先进性和引领潜力。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新问题、新领域，以及可能孕育重大成果的领域宜提前筹划布局，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。

六、设施投入不足无法适应国际竞争，要发挥我国制度优势，遵循“大科学”的发展规律，集中力量办大事

2019年，我国的R&D经费投入首次突破2万亿人民币，R&D投入强度为2.23%（GDP占比），[12]与美国（2.83%）、日本（3.26%）等世界科技强国差距逐步缩小。在R&D经费中，我国的基础科学投入强度为6%（基础研究投入占R&D比重），约为1200亿人民币，而美、欧、日等的基础研究投入强度长年保持在15%以上。[13]我国用于大科学设施建设的年均经费大约30亿，运行经费大约10亿，相关的研究经费不到10亿，一共50亿的“大科学经费”在基础研究经费中占比大约为5%。如果再具体到相应的研究机构经费投入，差距就为成明显了，美国能源部、国家科学基金会、国防部等多个机构负责资助美国的基础研究，美国尤其重视基础研究中物质科学方向的投入，仅以美国能源部科学办公室主管的物质科学类国家实验室为例（见表3），其单个实验室的平均投入约46亿元/年，我国的相关研究机构平均投入约为11亿元。投入决定产出，如果考虑GDP总量和对基础科学的投入比例，美欧强国对大科学的总投入是我国的10倍左右，国际上欧美强国对单个设施的经费投入规模也是我国的10倍左右，比如下一代的高能对撞机建设成本，基本在百亿美元的水平（见表2）。综上，我国目前的投入水平显然无法适应激烈的国际科技竞争。

近年来我国加大了科技总体投入，在科技总投入只有美国的一半，[13]基础科学投入只有美国1/6的情况下，我国的科技论文、专利申请数量居世界排名第一，[14][15]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。[16][17]从我们的经济体量在国际上的排名来看，钱似乎不是问题了，然而，钱投在哪里就决定了我们的产出在哪里，我们在科技投入策略上“撒胡椒面”和“雨露均沾”的分配模式显然不利于产生重大成果。从国家层面的科研经费预算来看，我国的基础科学研究经费应该短期内从目前占R&D的6%左右提高到10%左右，以接近国际上15-25%的水平。[13]同时，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，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。

表3 2018年度中美物质科学相关研究机构经费投入情况比较＊

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”，欧美科技强国在此基础上又率先发展了超常规的“大科学”，享受“大科学”所带来的巨大红利，[18]中国在科技崛起的过程中也终将经历这样的阶段。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，在经费支配方面，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。[19]我们最大的优势是我国的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，在科技资源有限的情况下，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。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。