大科学与小世界

在新一轮科技革命的浪潮中，科技突破的难度和复杂程度日益提升，对于大设施、大团队和大协作的需求愈加迫切。本文深入系统地分析了新形势下大科学与小世界的逻辑关系，并就如何促进大科学发展提出建议。

中国有一句老话叫“三十年河东，三十年河西”，还有一个说法是“三十年为一世而道更”。意思很明确，大约每隔30年，我们所处时代的内外部环境总会发生一系列的深刻变化，我们必须调整发展思路，进行新的路径选择。而如今，形势变化很快，30年规律似乎不再奏效，发展环境每隔20年、10年，甚至5年可能就会发生巨大变化，这就是我们当下所讨论的“新时代”的新特点。

同样的变化也体现在科学学（Science of Science）上。在“科学学”这个术语中，我们对前后两个“科学”的理解也与过去不太一样。我们对科技创新发展规律和机理的认识在不断地深化，研究的范式及方法持续迭代升级，这是前面一个“科学”在变化。后面一个“科学”的变化可能更多、更大：以前“科学学”的研究对象更强调科学发现，而现在，很难将科学发现、技术发明与产业创新分割开来，必须放在一起来理解；另外，过去“科学学”比较关注科技活动本身，现在更多将科技活动与它所处的整个社会系统联系起来，考虑其间的复杂关系。因此，前后两个“科学”都变得很快。在这样的快速变化中，我们需要关注三个趋势：一是知识生产方式快速迭代升级；二是知识的供给侧与需求侧（指广义的需求，包括市场、企业、国家和政府的需求）之间的互动界面在不断更新；三是知识转化为现实生产力的路径在持续变迁。这可能是我们把握“科学学”前后两个“科学”变化的关键。

大家知道，同济大学周边有一个非常独特的经济现象，我们称之为“环同济知识经济圈”。这一经济现象背后，展现了大学的“学科发展和科学研究”与“区域经济增长和社会发展”之间的互动关系。土木工程、城市规划、设计学、环境科学与工程、管理科学与工程等优势学科，是同济大学在全国甚至全球范围内表现最为卓越的学科，这些学科的发展其实与整个区域的经济社会发展是同频共振的，与“环同济知识经济圈”的核心产业形成了高度契合的关系。在需求侧的强烈刺激下，学科综合实力和竞争力得以持续提升，“环同济”也达到了一种状态上的平衡。“环同济”为什么能够兴起？这与改革开放40多年来我国持续高强度的基础设施建设密切相关，但是现在建设节奏明显放缓，不像过去那么高涨了。我们需要重新审视学科发展与需求侧的互动关系，探索新的科学研究范式、科研组织模式及技术突破模式，看看能不能跟上“大科学”与“小科学”并存时代的节奏。因此，这里主要讨论三个方面的问题：如何理解科学之“大”与世界之“小”、让大科学造福小世界、以小世界成就大科学。

如何理解科学之“大”与世界之“小”？

首先来看科学之“大”，我认为这是科学研究发展到一定阶段的必然趋势，“大”主要体现在六个方面。

第一是问题大。之前我们的科学研究以“科学家+实验室”模式为主，但是这种范式目前难以适应人类需要面对的新问题。现在的问题更“大”了，涉及人类的生存空间、气候变化、疾病防治、灾害抵御、社会变迁等各方面。譬如，地球作为广袤宇宙中一颗孤独的星球，面临各种各样的风险。在地球之外的行星还有我们的生存空间吗？气候变化尽管可能没有我们想象的那么快，但是我们已经能够切身感受到这种变化，这样的变化还会给人类带来什么样的挑战？刚刚过去不久的新冠疫情带来的影响十分惊人，据世界卫生组织报告，新冠疫情导致全球死亡人数约1300万，平均预期寿命水平倒退10年，而我们还没有完全弄清楚它从哪里来，到哪里去，后面还会有什么情况发生。此外，我们现在所处的社会与过去熟悉的社会形态已经大不一样，人的认知方式在变，尤其是年轻人思考问题的逻辑发生了很大变化，剧烈的社会变迁可能带来一系列新问题，需要我们面对。

第二是难度大。很多科学问题的解决并没有之前想象的那么简单。美国总统尼克松1971年签署《国家癌症法案》，雄心勃勃地试图解决癌症问题，但是并没有如愿。癌症的复杂性远远超越人类现有认知，一系列的基础理论问题还没有弄清楚，技术条件也不成熟。该计划耗资巨大，但终告失败。近年来，拜登政府重启“抗癌登月计划”，设定了在25年内将癌症的死亡率降低50%的目标，可以预见，该计划仍然需要面对诸多巨大挑战。与攻克癌症难题一样，当前的许多科学问题呈现出高维、异构、超限、跨界等特点，突破的难度越来越大。

第三是投入大。科学研究很烧钱，“大科学”更烧钱。譬如，欧洲核子研究中心（CERN）建设的大型强子对撞机（LHC），从概念到第一束质子产生，历时25年时间，耗资100亿美元，得到了21个成员国的财政和技术直接支持，其他60多个国家和国际机构也以各种方式支持该计划的实施。当然，“大科学”的带动性也特别强。

第四是规模大。“大科学”往往需要动员大量的科研机构和科技人力资源，并且历时漫长。阿波罗登月计划涉及2万家企业，200多所大学，80多家科研机构，参与者多达30万人。英国生物银行的大型前瞻性队列研究数据库则跟踪并积累了50万名参与者数十年来的遗传、生活环境和健康数据。

第五是尺度大。尺度可以从两个方向理解：极大和极微。极大是指宇观层面，譬如，中国天眼是500米口径球面射电望远镜，反射面有30个足球场那么大，是世界最大单口径、最灵敏的望远镜，它的灵敏度比世界排名第2的望远镜灵敏度要高2.5倍，可以帮助科学家探索诸如宇宙的起源及演化，小行星从哪里来、到哪里去等问题。极微是指微观层面，如今透射电子显微镜分辨率已经达到0.2纳米以下，可用于无机、有机和生物材料的结构观测和组成分析，帮助我们更好地探索微观世界。

第六是效应大。通过发展“大科学”，可以催生重大科学发现，并引发一系列关键领域的技术突破。在很大程度上，可以重塑经济社会发展的动能，改变我们的生产、生活以及社会治理方式，从而深刻影响人类的命运。

当然，科学之“大”并不是“天上掉下来”的，主要得益于三方面的进展。首先是“大科学”的物质技术基础不断夯实。可以看到大家都在轰轰烈烈地推进大科学设施布局和建设，全球范围内有400多个。截至2023年年底，中国已规划布局77个大科学设施，在建和已投入运营的有57个。除了大科学设施，还有各种类型的实验室、数据中心、算力中心等。其次是研究手段和工具持续精进。AI近年来的表现十分卓越，能够帮助科学家快速提升研发效率。过去一位博士研究生可能要花4到5年时间，才能把一种蛋白质结构大致弄清楚。如今，AlphaFold2在一年时间内，就可以预测超过35万种人类基因组蛋白质，以及超过100万个物种的2.14亿种蛋白质，效率大幅度提升，这样可以大大缩短新药研发的时间。可以预见，包括科学智能（AI for Science）、技术智能（AI for Technology）在内的智能化科研日新月异，将成为大科学发展的突破性力量。再次是科研组织方式迭代升级。过去，我们熟悉的科研组织方式有需求导向、使命驱动等类型。前者比较好理解，在分析市场需求的基础上，策划和组织科研活动。后者，也就是使命驱动型的科研组织方式，其实国内外都有。如我国的“两弹一星”，美国的曼哈顿计划、阿波罗计划，以及美国国防部高级研究计划局（DARPA）模式都是典型的举国体制，如今我们也在思考如何建构新型举国体制。近年来，一种新的科研组织方式开始出现，我称之为“愿景驱动型”。典型的代表人物是马斯克，他通常会站在一定高度，描绘一个远大且高尚的前景。譬如，他将星舰发射的愿景描述为：为人类开拓新的生存空间，努力使人类成为跨行星的物种。在这样的愿景驱动下，包括战略科学家在内的大批优秀人才被他吸引过来，并带来许多新的理念、知识和技术，更重要的是，巨量的具有足够耐心和耐受力的资本被卷入进来。事实上，马斯克的SpaceX火箭发射效率十分高：SpaceX在2024年第一季度完成31次火箭发射，居全球航天机构首位；发射525个航天器，居全球发射数量首位；发射载荷质量约430吨，占全球发射载荷质量（约493.93吨）的87%，而且这一趋势还会持续。作为一家企业，SpaceX居然比美国宇航局（NASA）干得还要好，政府当然很支持它，NASA在人员、技术、场景方面给予全力支持。可见，马斯克通过设定和展示“理解宇宙真实本质”的目标，建构了独特的愿景驱动型大科学模式，裹挟了大量的优秀人才、前沿技术和耐心资本，不断形成面向特定技术领域的突破能力，值得我们持续关注。

再来看看世界之“小”带来的挑战。世界之“小”，既可以从空间和时间角度来理解，也指向资源不足、能源危机、安全威胁、共识稀缺等问题。显而易见，面向持续增长的人类发展需求，地球的空间已经相当局促，时间上留给人类从容应对的余地可能更为有限。各种危机、冲突、动乱和意外事件频频发生，资源短缺的形势愈加严峻，能源结构尚未发生革命性的变化，剩下的化石燃料还能支撑地球运转多少年？可再生能源和可控核聚变真如我们想象的那样能够改变能源结构吗？短时期内是否存在来自地球外部的安全威胁？马斯克认为，地球只是广袤宇宙中一支闪着微光、随时可能熄灭的蜡烛，他想做的是让这根蜡烛燃烧得更持久一些。这可能也是全球科学界需要共同面对的问题。此外，世界上有200多个国家和地区，种族、宗教、信仰等各不相同，共识相对稀缺。甚至在科学共同体内部也没有形成充分共识，国际科技交流与合作的前景很不明朗，“孤立主义”“封闭主义”“单边主义”“逆全球化”明显抬头。

这就是我们面临的现实矛盾，一方面，需要合力解决的问题如此之多，难度如此之大；另一方面，科学界无论是达成的共识，还是采取的一致行动都不够多。大科学在成长，但是尚未形成充分的供给能力，其整体能级和效率还不能满足小世界应对日趋复杂和严峻挑战的现实需求。

让大科学造福小世界

“让大科学造福小世界”说易行难。近年来，中国通过发展大科学，在塑造增长新动力、开发和利用新能源、减少贫困、防治重大疾病、保护自然环境、强化安全保障等方面进行了积极探索，取得了初步成效。譬如，在塑造增长新动力方面，中国科学院自动化研究所人形机器人攻关团队研制人形机器人设计组装“大工厂”，可以快速设计构建人形机器人硬件和软件系统，为该产业高质量发展积蓄了强劲动能；在开发和利用新能源方面，通过建设冷泉生态系统大科学装置，实现可燃冰的绿色开发，为人类安全、环保、科学地利用可燃冰资源提供基础保障；在减少贫困方面，作物表型组学国家重大科技基础设施在湖北开工建设，该设施旨在实现育种过程的设计性、预见性和可控性，保障国家粮食安全；在防治重大疾病方面，阿里达摩院联合多家医疗机构，利用深度学习技术，在2万多例病例中识别出31例漏诊胰腺癌，这项研究可以极大提升胰腺癌的早期诊断率，过去的诊疗方式不可能做到，是具有里程碑意义的突破；在保护自然环境方面，我国运用现代信息技术，构建“空-天-地”综合监测系统，对长江流域进行全方位、实时、动态监测，支撑长江大保护的一系列重大决策；在强化安全保障方面，中国遥感卫星地面站在森林火灾、特大洪水灾情发生期间，为国家救灾总指挥部提供准确灾情数据，在救灾和灾后建设中发挥了重大作用。这些都是大科学造福小世界的典型中国案例。但是，科学毕竟是大家的事情，需要全球科学界一起行动起来。

以小世界成就大科学

世界很小，资源和能力有限。要让小世界成就大科学，首先要共情，在同一个星球上，我们是人类命运共同体。在共情的前提下，需要集中意愿，看看哪些领域可以进行广泛而深入的国际科技合作。譬如，面向重大气候变化、重大疾病防治、重大灾害应对等问题，选定具体合作领域，形成合作共识。

在形成共识的基础上，集中资源推进以下领域的共建。一是大科学设施。大科学设施往往耗资巨大，在全球范围内已建的大科学设施应该有序开放和有效联动，提升运营效能；同时，各国联手，集中资源，布局和共建新的大科学设施。二是全球科研基金。要引入社会资本，包括企业力量等探索设立全球科研基金，围绕选定的领域开展研究。三是学科交叉。通过大学科支撑大科学，通过大科学带动大学科发展。四是数据流通和算力协同。大科学需要大协作，必须着力解决数据跨境流通和算力协同等问题。

在共建基础上集中力量，面向特定领域，加强策划和组织，共启国际大科学计划和国际大科学工程。最后是研究成果的共享，参与方如何分享合作带来的科学发现、技术发明以及开辟的增量市场等，利益协调机制是需要关注的重要问题。以小世界成就大科学，我们的目标非常明确，就是通过共情、共识、共建、共启和共享，为人类社会赢得共同发展的机会。

本文作者陈强是同济大学经济与管理学院长聘特聘教授，上海市产业创新生态系统研究中心执行主任。长期从事科技创新治理等领域的研究，入选国家级人才计划，获上海市科技进步奖、上海市决策咨询研究成果奖、中国高教学会优秀高教科研成果奖、上海市教育科学研究成果奖、美国管理学会（AoM ）最佳论文奖等奖项，出版著作十多部。