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《科学四十人》系列座谈第五期

导  读 

斥资几亿、几十亿的大科学装置,规划和建造应当如何决策?大科学装置是盛宴已过还是正当其时?中国现在的大科学装置数量是多是少?大科学装置在研究中发挥了什么作用?

就这些问题,《知识分子》联合 “科学四十人”,邀请到中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员陈和生,中国科学院国家天文台FAST(中国天眼)首席科学家李菂,中国科学院科技战略咨询研究院院长潘教峰,组织了科学四十人第五期闭门耕座谈。主持人为中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员、中国科学院院士、《知识分子》总编辑周忠和。以下为文字实录。

 

文字整理 | 张天祁

责编 | 钱炜

 

大科学装置是什么?

周忠和:我们今天非常荣幸邀请到三位专家参与到关于大科学装置的讨论。大家知道,美国科学学家普莱斯于1962年6月发表了题为“小科学大科学”的著名演讲。他认为,二战前的科学都属于小科学,从二战时期起进入了大科学时代。大科学装置是典型的大科学时代科技发展的产物,大科学装置已经成为美国、德国、英国等很多发达国家开展科技创新活动和提高原始创新能力的重要设施。

国外大装置产生了不少诺奖级的成果,例如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室利用散裂中子源强激光装置产出了大量成果,涌现了6位诺贝尔奖获得者和计算机的发明者;劳伦斯伯克利国家实验室产生了13位诺贝尔奖获得者和15位国家科学奖章获得者。

在我国,仅以中科院为例,目前已建成并投入运行、正在建设和即将建设的大科学装置共有20余项,其中有12个在运行之中,主要用于高能物理、重离子物理、天文等领域。我们今天就针对大科学装置进行一些讨论。

第一个我想请教大家的问题是,什么是大科学装置,业界可能并没有严格定义,但有没有一个便于公众理解的定义?大科学装置都有几种不同的类型?在我们国家到底有多少大科学装置,有没有一个大致的数字?

周忠和

陈和生:大科学装置的特点就是大。它的规模大,涉及到的科学家和工程师的队伍规模大,投资大,涉及的建设周期长,运行做研究工作的周期也长。它面对的是前沿科学的基础问题和国家高科技发展面临的一些瓶颈问题。它提供大型的科学平台来开展科学研究。

大体上分为三类,第一类是基础科学研究,专门为某一个领域服务的专用的大科学装置,比如说粒子物理的对撞机,核物理的实验装置、等离子体聚变装置,天文望远镜等等。

第二类是多学科交叉前沿平台,比如同步辐射光源、散裂中子源、自由电子激光等,它不是为某一个领域的科学目标服务的,而是高度开放。以同步辐射为例,材料科学技术、资源环境、物理化学化工、新能源等各个领域,你有什么问题需要用非常强的同步辐射光来解决,都可以来做实验。

第三类主要是属于公益性装置,提供社会服务,主要积累资源环境领域的数据。比如国家授时台,它为全国提供时间标准,这个时间标准对我国的很多领域都非常重要,比如地震观测网络、海底观测网络、种子库、子午线工程等等。
以上这三类都是必不可少的。

最早我们叫大科学装置,建设大科学装置叫大科学工程,从本世纪初开始就改称重大科技基础设施。但这二者还是有一些细微区别,比如同步辐射光源、对撞机,是集中在一个地方的,就叫大科学工程或大科学装置;而像子午线工程、地震观测网络或者海底观测网络,就不是在集中到一个地方了,在这种情况下,国际上就把它扩展成为了“重大科技基础设施”。

大概在2012、2013年左右,国家发改委在文件里对重大科技基础设施有了明确的定义。

周忠和:大科学装置还是一个更通俗的说法。

陈和生:对。你可以说大加速器、大光源是大科学装置。其他的就不好说了,不是很严谨。现在叫重大基础设施,英文是large research infrastructure,原来叫 mega-science 或者 large science facility。

周忠和:我理解您说的这三大类型可以这样概括:第一是专项型,是某一个领域专用的,更侧重基础前沿研究;第二是平台型,是跨学科的,用于交叉前沿学科研究;第三是公益型,可以用于研究,更多侧重于社会服务。从第一类到第三类,应用范围越来越广。

陈和生:对。10年或15年以前,国家新上的大科学装置项目,第一类比较多,也有一部分第二类。现在有越来越多的大装置用于解决国家发展战略当中的瓶颈问题,为了实现高水平科技自立自强。

周忠和:所以我觉得定义很重要,跟后面要讨论的问题是有关系的。还想请教下李老师,刚才陈老师讲的定义是定性的,还有没有一个定量的概念。比如说一个大科学装置项目,造价要多少钱?

李菂:对,刚才陈老师的总结引发我的思考。比如说中国天眼,造价是10个亿左右。最初的预算是6.7亿,实际造好的时候是11.5亿。大科学装置的造价可大可小,但是总的说来,跟基础设施建设比起来,它的成本还是很小的,比如10个亿可能只够修一公里地铁。陈和生:国家发改委基本上以10亿为标准。

周忠和:潘院长是管理方面的大专家了,根据你了解的情况,我们国家的大科学装置有没有一个大概精准的统计数字?

潘教峰:大装置和它划分的定义是很有关系的。目前来讲定义也是众说纷纭。国家确实也有一个相对的一个标准,但也是相对的。

我再补充一下怎么来认识大装置。实际上,大装置也是科学仪器的一种类型,但是它代表了科学仪器的最高水平,其目的还是服务于科学研究与科学前沿探索。在这个意义上,产生了这样一批投资大、非常复杂而且精密的仪器,这就构成了所谓大科学装置这么一个概念。我们也说它是重大科技基础设施,实际上是一种大型复杂的科学研究系统。

如果这个定义成立的话,我们国家现在大致上有70个左右的重大科技基础设施,在全球已经排到第二位了,美国应该有将近200个左右,日本大概有30多个,欧盟大概有43个,主要集中在德国和法国。按照陈老师刚刚的分类法,第一类第二类的大科学装置比较多,第三类相对来说比较少。

陈和生:我再补充一点关于大科学装置的作用,就像刚才潘院长讲的,它提供极端的研究条件,比如非常微小的世界的研究,或者是像宇宙这样非常大的,或者非常高的温度。这个大装置从何而来?

本质上说,大科学装置是从粒子物理、核物理的大装置兴起的。为什么粒子物理、核物理装置越修越大?因为我们对物质结构研究的层次越来越深入。根据海森堡测不准关系,你所研究的尺度和你所需要用的动量,也就是能量,乘起来是个常数。所以尺度越小,就需要越高的能量。随着我们物质结构的研究深入到越来越小的尺度,装置就越来越大。

粒子加速器本来属于第一类,但是后来发现加速器产生同步辐射光,它对粒子物理研究是非常有害的,因为它的同步辐射能量和能量的5次方成正比,限制了达到高能量。但是,对于其他领域来说,辐射光非常有用,它的X光比医院里的X光高亿倍、百亿倍、千亿倍,是材料科学、资源环境结构研究的工具,由此就衍生出了第二类的科学平台。

这些重大科技基础设施,成为了国家科技创新体系里非常重要的一个单元,是基础科学研究和高新技术发展的一个载体。同时围绕着它往往又形成了高新科技产业园区,比如说美国的硅谷,它和斯坦福大学有合作,还有日本的筑波科学城等,都和科技基础设施有关。

还有一点,大科学装置也推动教育的发展。很多大学都是和大科学装置结合起来,比如加州伯克利大学和加州伯克利实验室的结合就促进了伯克利大学的发展。

周忠和:陈老师的意思是,三类大科学装置的产生有先后顺序。这里面的逻辑关系,恰恰是从基础研究到交叉拓展研究到应用的这样一个顺序。

 

大科学装置建设过热了吗?

周忠和:接下来的问题,你们觉得我国现有的大科学装置数量是多了还是少了呢?

潘教峰:这个问题可能很难用多或少回答,可能还是要回归到大科学装置的用处,它是服务于科学研究的,要看我国科学研究本身的需要是不是得到了有效满足和支撑,这是一个考虑问题的标准。

按照我的观察,我们国家今天已经规划布局的大科学装置,和我国科学发展的需求还是比较匹配的,甚至已经做到适度超前了。大科学装置建设要适度超前,但也不能过于超前。
 

潘教峰

周忠和:您是从管理的角度来说,数量总体上还是比较适中的,有适当超前。我来问问陈老师和李老师,从科学研究发展阶段的角度来看,除了数量还有布局是否合理等等,我们大科学装置目前的发展状态你们是否满意?

陈和生:我国现在的大科学装置,要能支撑我国在国际前沿基础科学的研究,特别是高水平科技自立自强,还是有一定差距。我们是要适度超前,但距离真正能够解决我们国家现在面临的发展战略中的瓶颈问题,比如材料科学技术、能源资源环境等,还是有一定距离。

我同意潘老师的判断,一方面是看需要,一个是科研队伍水平能够支撑,还有一个问题是我们建设队伍的水平。这不是盖歌剧院、博物馆、修广场,不是说随便哪个队伍都能建,而是需要一个几百人的科学、技术、工程管理、技术支撑的有经验的队伍。

“十四五” 的大科学装置申请过程我经历了,我觉得是有些过热。地方政府对这个问题的认识上也是参差不齐。

2003年到2005年,我们为中国散裂中子源选地点,当时首先考虑是北京。道理很简单,第一用户在北京最多,第二建设队伍在北京。但是在北京找不到地方,地方政府认为你既不产生GDP又不能收税。北京那么大,我们从昌平一直找到燕郊、大兴,都找不到地方。

2006年2月,我去到广东。当时广东省的领导和我们中科院的路院长都是高瞻远瞩,想要推动大科学装置建设。路院长当时跟我说,大科学装置不能都集中在北京、上海,应该要优化布局。他特别强调广东的经济发展、产业升级对科技的需求非常强烈,科学院要把自己在基础研究上的雄厚实力与广东强劲的经济实力以及产业升级对科技发展的需求结合起来。

就是这样一个机会,最后我们就落户了东莞,而现在它已经成为支撑粤港澳大湾区综合性国家科学中心最主要的科学平台,它的牵引力非常大。

为什么我说现在大科学装置的建设又有些过热。像当年中国散裂中子源项目没人要,只有广东省政府和路院长有远见。而现在国家强调科技创新,强调大科学装置的建设,部分领导从政绩的观点出发,想要建设项目,但并不真正考虑这个地区是不是需要一个同步辐射光源、有没有队伍来建设、有没有用户群体,就开始做。

他们的想法是,只要我抱一个项目在怀里,就表明我紧跟国家科技创新的部署。“十四五” 规划里面,全国要建十多个光源。国家发改委就问我们,你们认为中国到底该有多少个光源?但是没有办法,一旦某些领导把它当作政绩来看待,就会出现过热的问题。

潘教峰:陈院士确实为我国大科学装置的优化布局和建设做出了巨大贡献。我们在做规划、做战略研究时确实看到,早期好多地方政府觉得它是个负担。现在国家重视科技创新,一些地方政府就又把它当作是一个重大投资的机会,还可以赢得一个科学名片,但很少真正考虑大科学装置建设的本意,要和科学研究的需求紧密结合。这个区域有没有强烈的需求,有没有用户,这方面考虑显得欠缺了一点。

在党的 “二十大” 之后,我国更是把科技摆在了前所未有的位置。在这个意义上,各地方会更重视科技创新,那么大科学装置本身的建设,将来肯定也会成为许多地方都高度重视的、显性的抓手。所以要高度重视布局问题。

周忠和:两位刚才讲的,其实是大装置的布局和设计,更多的还是需要科学界来贡献智慧。我们是从科技技术方面考虑,可能有些地方政府是从经济方面考虑,这是比较复杂的。我想问下李老师,从您更熟悉的天文学学科角度看,大装置算不算超前?

李菂:从天文这个小学科来讲,我的看法激进不少。主要是因为我们学科落后特别多。比如说天眼是2011年开始建设,2016年年底建成,2020年才投入使用。而美国的阿雷西博望远镜早在1963年就投入使用,1973年它发现了双中子星,这个发现在1993年获得了诺贝尔物理学奖。我们在射电望远镜领域落后了30年到50年,到今天才投入了10个亿人民币到天眼建设中。又比如说光学领域,20世纪初哈勃发现了宇宙膨胀,而国内现在的光学望远镜还没有达到美国20世纪初的水平,在这个方向上我们又落后了50年到100年的样子。所以从我们行业的小视角来讲,像天眼这样的大科学装置,整个投入至少还要提高一个数量级,我们才能进到国际一流俱乐部里头去和高手一块玩。

周忠和:刚才您说的是需求,是从理想的角度说。那么关于我们的队伍和建设能力,有没有这方面的困难?

李菂:这个困难实际上是很大的,但是关于天眼队伍的建设和运行,我倒是越来越乐观了。

举几个基本的例子,天眼有两个重要的方向。一个大家都比较熟知的是脉冲星,脉冲星衍生出来一个概念叫快速射电暴,就是非常明亮的在宇宙射频波段最剧烈的爆炸,但我们现在完全不知道它的起源。另一个是研究宇宙的原子气体,叫做中性氢。

天眼项目是2007年底发改委正式批复立项的,2008年我是科学院聘的兼职项目科学家,2012年全职参加该项。当时我在各个单位了解了一下,我国在原子气体研究领域能够做一线数据处理的不超过5个人。但是到今天,由于设备和平台的成功,现在日常有100个人。所以装置的部署可以带动发展,当然也还要契合国家的能力和我们的科学目标。

陈和生:还有一个是要符合建设队伍的能力。比如中国同时建10个这样的装置,相匹配的天文队伍是比较容易发展的,天眼的数据可以交给大学中的老师做分析。但是能够建设天眼装置的队伍,恐怕是很难做到同等数量级式的增长。

 

大科学还是小科学?

周忠和:我们稍微转换一下,回到大科学和小科学的讨论。上个世纪60年代有人提出了大科学与小科学的说法,半个多世纪以后,大科学依然是产生原始创新的主要模式吗?是不是不同的学科不一样?

很多人会觉得,最原始的创新还是要靠小团队的PI模式,但有的人会觉得大科学会替代小科学。我的理解是,大科学从60年代或者二战之后开始快速发展,现在是一种大科学与小科学并存的情况。潘院长你怎么看待这个问题?

潘教峰:我是这么理解大科学和小科学的区分。首先,为什么要提出大科学这个概念?因为现在的科学研究越来越复杂,涉及时间分辨率、空间分辨率及其精度和极端条件下的温度、压力、强度耐受性等,需要提供极端条件的研究手段和工具。没有大科学装置,微观的东西你看不清楚,内在的机理和关系你也把握不了。我们看到,上世纪70年代以来,不少诺贝尔物理学奖的成果,有的人说占40%左右,用到了大科学装置产生的数据,就说明了这一点。

但是从研究本身来说,我觉得真正的科学原创还是要靠科学家的智慧,团队可以提供多方面的支持。科学创新还是要围绕着原创的思想来做。正如布什在《科学:无止境的前沿》中指出,基础研究应该由“一小群熟谙自然基本规律的天才”来进行。

另外一方面,大科学是众多学科之间的交叉融合,交叉融合的关键是要找到交叉融合的点。从这个意义上来讲,我是觉得“大”和“小”是相对的,科学应该由最优秀的科学家来主导,不能拿大科学挤压小科学,真正的原创还是要靠有创造力的科学家来做出来。

周忠和:即便是有大科学大装置,个体的创造力、团队负责人或者主要骨干的作用也很重要。关于这点陈老师您如何看待?

陈和生:大科学和小科学是密不可分的,而且会长期共存。很多理论研究需要大科学装置去检验。大科学装置上的一些发现,又突破了现有的理论,促进了理论发展。你很难说理论研究是一种大科学,就是少数几个人带着学生在做。但另一方面,传统上的小科学也越来越需要使用到大科学装置,比如说一个老师带几个学生的小组,也必须用最先进的同步辐射散裂中子源作为研究手段去解决问题。

科学的发展是有多样性的。大科学和小科学是密切的交叉渗透,而且会相互推动发展。这是我的看法。
 

陈和生


周忠和:李老师您从天文学的角度来说,我们外行感觉到天文学离不开天文台这样的大装置,这个领域里面有没有大科学小科学的区分?

李菂:可能更像刚才陈老师讲的后一种情况,目前天文学的主流都是依靠大装置,但是具体发文章的时候,它实际上又是小科学的。比如今年初,我们利用天眼发的文章登在《自然》杂志封面上。我们团队只有6个人,但绝对是依赖天眼的能力。就像您开场时引用美国科学学家普莱斯的话,他总结得很到位。“二战”以前,天文学基本上还是小科学,哈勃研究宇宙的膨胀,他依靠的是民间基金会出钱给帕拉玛观测站修的望远镜。

“二战” 以后的重大发现,以美国为代表,都是依靠国家级的设备才能产生历史性的推动。比如哈勃望远镜、詹姆斯·韦伯望远镜的投入是110亿美金,是中国天眼的80倍。他们刚刚在地外行星的大气发现二氧化碳,这些重大发现正在迅速刷屏。

像天眼的话,我们经过三轮的公开征集,现在已经认证并且开始执行的有将近400个项目。所以这个平台可以算大科学,但是每一个项目每一个课题还是小科学。

周忠和:我突然想到,小科学大学科的关系,就有点像公园里面有绿地也有树,全是变成树也不可能是吧?我们需要有草地和树的一种合理的搭配,达到一种景观。

李菂:公园和草地就是平台,个体或者课题组就是种树栽花。

周忠和:相互依存,密不可分。

 

大科学装置的经济账

周忠和:下一个问题,我们国家的大装置的产出和投入相比是否还是比较匹配的?陈老师您谈谈。

陈和生:我国大装置的数量和种类应该说已经进入国际前列,但是我们在装置本身的技术水平、创新技术这方面与国际上差距还比较大,差距更大的是它产出的研究成果。

我认为,我国大装置对我们国家科技创新和高技术产业化的支持还不够,关键是队伍的水平。哪怕是大型企业,没有多少人真正能够用同步辐射散裂中子源去解决问题。

周忠和:生产和购买中间还缺了点东西。

陈和生:技术人员的水平比较差,他没有用过。还有一个问题,中国比较热衷建造新的装置,但是这些装置的实验终端水平与国际上的差距比较大。很多大科学装置建完了好长时间,它的实验终端迟迟得不到批准,配不齐,实验大厅空空荡荡。而很多地方政府的兴趣是我再去造一个,不考虑自己有没有能力,有没有用户,从政绩观出发,就是希望再造一个。

“十四五” 的时候,国内有十多个单位提出要建同步辐射光源,显然这些单位并不都是国际一流水平,难免有些重复建设。我认为我们现在的投入不是多了,而是说投入的结构不合理,应该加大对已建成的大科学装置的改造升级,提高实验终端的配合和研究经费,现在这部分不能得到很好的保障。

还有人员的评价体系问题。大科技装置起到了很大作用,但是每年的院士、杰青、优青评选,真正从事大科学装置建设的人很难评得上,原因是没有论文发表。哪怕他在建设运行大装置的过程中有很多创新,克服很多困难,但是得不到评价体系的认可。这些都阻碍了大装置的发展。

所以我认为应该更多的投入到研究工作,还有大装置的实验终端配套设施,着眼点是成果,而不是造更多装置。这对支撑国家的高水平科技自立自强是非常重要的。

周忠和:您提了非常尖锐的问题,重面子轻里子的现象确实存在,还有评价体系的问题。李老师你有没有这方面的感受?

李菂:对,有一些类似。我查了一下,詹姆斯•韦伯望远镜造价110亿美金,一般来讲一个大装置每年的运行费是它造价的10%,包括养护、用水用电、技术升级、养研究人员的费用。今年美国国会专门拨给詹姆斯·韦伯望远镜1.8亿美金,只占到宇航局预算的0.7-0.8%的样子,所以它也不是很宽裕,但是1.8亿美金是个什么概念?

我查了一下,我们国家天文台的一年的预算是5-10个亿,年景好的时候是10个亿,一般是5个亿。但是,这已经包含了天眼建设期间的建设经费。欧洲的欧南台,是十几个国家的联合组织,有很多设备,一年的经费大概是1.2-1.3亿欧元。日本国立天文台大概是一两千万美金,有100多个研究性员工。也就是说美国仅仅一台大装置的运行费用,就基本上覆盖了欧洲、中国、日本,再加上马普所的一个天文所这些机构一年运行费的总和。


李菂


陈和生:你这个说法不确切。美国是把人员费都算进去,而日本或者是欧洲的人员费是占了极大的比例,占了80%-85%,没算在这里。所以当你说欧洲南方天文台经费是多少钱的时候,并没有包含为南方天文台服务的这么多科学家的费用。美国的额外开销也非常厉害。运行经费肯定是有差距,但这个差距不像你讲的那么大。

李菂:实际上我想的跟您要说的一模一样。我们现在最缺的是养人的钱,包括维护和科学研究。钱还是不够。

周忠和:所以大装置建好了,不是什么事都完了,后续的管理维护很重要,还需要升级改造等等。

陈和生:要是不升级改造就会落后。

周忠和:这就是一个可持续发展,能不能更好地发挥大装置作用的问题。这方面还包括人员费、对人员的管理。

潘教峰:政策和管理上确实还需要进一步加强。

周忠和:理想条件下,这类大装置的立项应该是一个什么样的决策机制?是政府来决策,还是由科学共同体来决策呢?陈老师您谈谈。

陈和生:决策问题很复杂,从政策咨询到管理,我想潘老师应该也参与了很多。我认为大科学装置的决策,第一要考虑国家的科技政策,我国现在最迫切的科学技术问题是什么,要求大科学装置解决什么问题。这里头既有国家发展战略的一些瓶颈问题,也有符合我们国家国情国力的科学前沿研究。

首先是科技政策。国家的优先级是由国家发展的需求,结合我们的国情来决定的。在当前严峻的国际形势之下,这个问题更为迫切,我们需要做到高水平科技自立自强。第二,是所在的领域对发展战略的研究。我个人认为大科学装置的决策机制应该是由专家来决定,这是国际共同的做法。第三,做一个决策,必须有边界条件,第一位的边界条件就是国家在这个具体的领域投多少钱。如果没有特别的理由就要增加5倍8倍经费,这是不太现实的。比如,国家发改委每5年计划造的大科学装置的经费,是有限的,相对固定的,不可能让一个学科把大部分的钱拿走。

过去这20多年,总体上是越来越规范化了,项目的评审也越来越透明公开了。

周忠和:科学问题、这些大的设想和计划要由科学界提出,但政府肯定是从财政、学科平衡、国家的战略需求、社会发展需求等多方面综合考虑。前不久我在看一本书叫《纯科学的政治》,是美国人上世纪60年代写的,里面讲到科学家为了他们的大装置项目,有时候除了做自己的本职工作之外,还要做一些游说。李老师,你觉得我国的科学家为了争取到更多的支持,是不是也要做一些这样的事?

李菂:我们天眼项目在贵州,肯定也要跟当地政府相互了解。

周忠和:你们给贵州带来了巨大的旅游收入。

李菂:这是后来的事,在建设的过程中是看不见的,不知道最后能搞成什么样。我们给平塘县特别是黔南州带来了一些比较实在的东西,我看过他们的统计数据,天眼建成以后,2016年到2018年左右,当地每年的旅游流水大概是50个亿。但这个模式不一定能复制,存在特定的条件,天眼在视觉上对大众有很强的冲击力。

陈和生:没有看到美国欧洲哪个天文台成为景点的。大量的游客对科研的环境的影响会很大,比如交通堵塞、环境污染。东莞看到天眼那么热闹,也想发展旅游,但我认为不适合。像你们那样修一个天街,造两个五星级宾馆,全世界独一无二。我这个人思想保守。

李菂:我们一直也是很矛盾的状态。地方政府很不容易,我们在条件允许的情况下都尽量支持,另外我们也要求射电的静默,这会对我们的信号搜集产生影响。

周忠和:现在越来越强调科普科学教育的意义,所以旅游的增量也是超出你们的预料。

李菂:远远超出我们的预料。

周忠和:潘老师,我们建大装置,是不是可以提升我们国家的软实力和在国际上的影响力。比如说人家想脱钩,而我们有了大装置,可以吸引更多国际上的合作参与。从您的站位上怎么看?

潘教峰:我很赞同。我国的经济体量和科学研究已经达到了一定水平,也到了一个该往上突破的时候了。现在我们有了大科学装置,可以吸引全球科学家来开展研究,是我们高水平对外开放的一个重要平台和抓手。

周忠和:与此相关的一个议题是大科学装置的开放共享,这是我国目前正在推动的一个重点工作,也是大科学装置管理的一个世界性问题。您觉得我们在这方面做得怎么样?

陈和生:我接着潘老师说。以北京正负电子对撞机为例,我们从1990年代就开始了以我为主的大型的国际合作,十多个国家包括美国欧洲的物理学家到北京正负电子对撞机上工作一直到现在。

在改革开放的初期,是我们出去;现在,我们是东道主。这样的例子还有很多,比如说西藏的羊八井国际宇宙线观测站,它有中意合作和中日合作;大亚湾反应堆中微子实验,是中国和美国的合作。当时美国能源部的人告诉我,这是美国在海外的仅次于欧洲核子研究中心的最大的合作。

这些都表明了重大的科学装置,特别是那些能够发挥我国独特优势的大装置,特别具有吸引力,能够推动以我为主的国际合作。

我想大科学装置的特点就是必须开放共享,并且是国际共享。科学院每年都有考核指标,每年你的装置,外来用户使用的机时要超过比如说80%-90%,不能说这个东西只有自己用。这是非常严格的。国家提供了建设费运行费,那么你必须对国内外的其他用户开放共享。

在这个意义上,这些大科学装置的开放共享程度远比一些大学实验室的开放程度要好得多,规模要大得多,这也是国际的普遍规律。你到我们这里来做实验,尽管我一年的运行费大概将近两亿,一天的运行费五六十万,但是我们不对你收费,这是非常高水平的开放,符合国际惯例。这对科学技术的发展非常重要。我想这个是大科学装置的基本特点。

周忠和:李老师,天眼的开放程度怎么样?

李菂:我们天文学科的特点就是比较开放,因为我们实用性差。

周忠和:和粒子物理相比呢?

陈和生:应该是更为开放,用一句话说就是在可以预见的将来没有任何实用价值。

李菂:因为我们特别没用,就有条件开放共享。像美国,比如美国国家射电天文台、美国国家光学天文台,中等大小的装置也要全球性开放。我们的天眼拿出了少部分时间向国际开放了两轮,PI来自18个国家。

周忠和:还是不够,还是要进一步开放。

李菂:今年受到了疫情的影响。虽然可以远程观测,需要的数据我们可以记在硬盘上,但是交流过程还是很难完全替代的。

周忠和:潘老师如何看待开放共享的程度的问题?我们现在强调人类命运共同体,大科学装置又是呈现大国开放胸怀和实力的很重要的平台。

潘教峰:我觉得应该进一步加大开放共享的力度,甚至说国家应该搞点基金来支持其他国家的科学家来开展联合研究,成为聚集全球智慧的开放创新的高地,这也是中国对世界科学发展的一种贡献。

另外,这也是反脱钩的一个手段。对很多高水平的基础研究来说,大科学装置本身是科学研究越来越必不可少的一种高端复杂科研设备。我们要用好大科学装置支持全球相关领域科学家合作探索未知世界、发现自然规律、实现技术变革,展现中国的大国胸怀,呈现中国更加开放的态度。目前,各个大科学装置也在自觉地做,大家都有这个意识。我觉得力度可以再大一点,从国家层面更大力度来推动这个事。

周忠和:我想到中美建交的时候有个 “乒乓外交”。其实科技外交也是一个很不可忽视的一部分。

潘教峰:对,我看是可以,可以团结更多的国家来中国利用大科学装置来开展工作。

 

我们处在重大历史性突破的前夜

周忠和:前面讲到建设,讲到持续发展,评估也是必不可少的。现在有一种趋势是跟踪进行全生命周期的评估,不仅从科学,还从社会经济效益上研究大科学装置的影响。我们现在有没有在做这方面的工作?

陈和生:中国科学院有着中国最多的大科学装置,因此它有专门的部门对大科学装置进行管理和评估,有一套系统办法直接考核装置的运行情况、开放情况、科学成果、对用户的服务,每年开会进行评估,评出一、二、三级出来。我觉得这个评估制度还是比较成熟的。
 

(从左至右)李菂、陈和生、周忠和

周忠和:你对现有的评价体系还是比较满意的?

陈和生:当然还是有好多缺点,比如更看重发文章,而对为国家高水平科技自立自强做出贡献的大装置建设者,重视度不够。现在很多情况要人家投票,投票就是看文章,没办法。强调要把论文写在祖国大地上,但写在大地上人家看不见,就看你发的Nature、Science。这还是评价体制的问题。

李菂:这也有一个实际的情况,因为我也参加专家组。有时候跨学科的评判确实比较困难,所以在战略层面,您刚才说的全生命周期评价,我觉得还有相当的距离。

周忠和:今天的最后一个问题,未来在大科学装置的发展上面,有哪些重点关注的领域,在发展过程中我们还应该重视哪些问题?

陈和生:重大的大科学装置对于我国的科技创新体系是非常重要的一个单元,对我们国家在技术科学前沿研究、科技创新,特别是高水平科技自立自强方面具有重要的意义。

我认为,应该根据经济形势的发展进一步加强对大科学装置的投入,但是投入不等同于造更多的新的设施。美国会建设发展新的高水平设施,但同时对已有的历史悠久的设施一直给予更新改造、补充实验装置、支持研究工作出成果。所以我认为我们更重要的是出更多成果,而不是铺更多摊子。

摊子还是要铺,有缺陷的地方还是要增加,关键要看对国家高水平科技自立自强的贡献和牵引力,我觉得这是我们国家现在面临的最大的问题,也是我们大科学装置的使命。今后的发展方向要优先考虑国家的战略需求和高水平科技自立自强。

在基础科学前沿,要结合我们的国情,同时发挥我国的特点。有人老在问,今后物质结构或者粒子物理的突破在哪?我认为突破还是那一句话,就是“众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在,灯火阑珊处。”我们处在重大历史性突破的前夜,暗物质、暗能量将迎来类似100年前相对论和量子论那样的一个突破。要考虑我们国家的特点,能够为新世纪的科学突破做出什么贡献。

比如粒子物理的实验,加速器实验是一个方面。我们必须要根据国家的国情和综合因素来决定。同时,空间天文实验、粒子天体物理这样的交叉学科,需要结合中国的特点来发挥作用,包括中微子实验,我们已经取得很好的成果,所以这是我的一点点看法。

周忠和:好的,李老师您有什么看法?尤其是天文领域,您有什么期盼?

李菂:设备只是研究手段。还是要看有什么重大的科学问题,有什么技术上的优势或者成本上的优势,这也是我们作为一线的从业人员需要考虑的。

周忠和:巡天望远镜现在处于一个什么状况?

李菂:巡天望远镜是 “921” 载人航天专项的一部分,肯定比天眼要重要得多。它产生的数据量很大,是中国空间天文领域的跨越式发展。

周忠和:天文和粒子物理是相关的。巡天望远镜的研制成功,会不会对物理学,比如说暗物质、暗能量的研究有所帮助?

李菂:我觉得这是很有可能的。当然天文学和物理学稍微有点区别,天文学特别善于发现和提出问题,但很少解决问题。20世纪中期以后,天文学发现了很多东西,到了21世纪,有七八个诺贝尔物理学奖跟天文学是强相关的,比如黑洞和系外行星。宇宙的丰富多彩从来没有让我们失望过,当你的测量能力有了根本性提高以后,它能够揭示很多非常奇特的,有时候是带有本质性的现象。

陈和生:暗物质、暗能量都是天文观测提出来的颠覆性的问题。

周忠和:潘院长,最后您来讲讲我们国家大科学装置的发展。

潘教峰:我认为应重视这么几点。第一,要用好现有的大科学装置,提高大科学装置的综合效益,包括刚才讨论的如何更好地运营维护大科学装置,更好地提出科学问题,让大科学装置来支撑这些研究,还有如何更好地对外开放共享合作,把大装置的潜力真正发挥出来。

第二,要做好大科学装置发展的中长期规划。陈老师曾经在2009年带领一个专家组做了一个中国面向2050年的大科学装置发展路线图。今天,我国提升了发展目标,到2050年要成为世界科技创新强国,整个世界的科技发展也有了重大的变革,这时候我们应该以更长远的眼光来规划我们的大科学装置,应该考虑启动制定一个未来30年到50年的,做到2060年或2070年的大科学装置发展规划。

第三,我们今天讨论的大装置多集中在天文学、物理学领域。实际上有一些新型大科学装置在出现,像自然环境模拟的或者过程模拟和环境模拟的装置,这样的大科学装置是不是适应了环境科学发展的要求。生命科学现在发展到合成生物学这一步,很多研究深入到了生命过程当中非常微观的层面,也需要极端的条件来支撑。信息科技领域也有这样的需求。所以,大科学装置的领域实际上在不断拓展,我们应当根据不同领域的研究需求来不断发展新型大科学装置。

第四,大科学装置产生了很多数据,天文学领域的大装置更是产生海量数据。过去处理数据的手段多为人工,现在由于人工智能AI的出现,我想大科学装置产生的海量数据能不能与人工智能相结合,会不会产生一种新的研究范式。我们可以观察到AI对生命科学研究产生了颠覆性的影响,在结构生物学领域,过去生物学家一年能破解几种蛋白质结构就很了不起了,DeepMind出现后如今已破解了几乎人类目前已知的、超过2亿种蛋白质结构。

第五,刚才谈了很多政策和管理问题,我们要真正把大科学装置作为国之重器,作为我们国家建成未来科技强国的必不可少的物质基础条件,在管理上政策上还是有很多问题要解决。

周忠和:谢谢潘院长,谢谢陈老师和李老师,今天的讨论就到这儿。

 

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由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,现任主编为周忠和、毛淑德、夏志宏。知识分子致力于关注科学、人文、思想。我们将兼容并包,时刻为渴望知识、独立思考的人努力,共享人类知识、共析现代思想、共建智趣中国。

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