博文
加快实施大科学装置发展战略, 抢占未来科技竞争制高点
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随着世界科学技术飞速发展, 科学研究的内容不断深化、规模不断扩大, 科学研究的水平越来越依赖于先进的科研仪器设备. 大科学装置正是为满足科学研究所需地更高能量、更大密度、更短时间、更高强度等极限研究条件而产生的, 它使科学研究有可能在微观化、宏观化、复杂化等方面不断深入, 从而取得重大发现. 同时, 它的建设和运行, 应用了大量新科学原理和先进前沿技术, 将大幅提升人类探索自然奥秘的能力, 有力推动基础前沿研究和综合交叉, 也为高新技术研发和关键核心技术突破提供重要的平台和手段.
为了在国际竞争中保持优势, 抢占世界科技制高点, 发达国家高度重视大科学装置的建设及依托于它的科学研究. 20世纪中叶, 以美国“曼哈顿工程”、“阿波罗登月计划”为代表, 集合前沿科学研究、先进技术研发和现代工程管理, 开创了大科学时代, 成为科技创新的典范. 随后, 西方先进国家建设和运行了一批大科学装置, 取得了一大批令世界瞩目的成果. 进入21世纪, 国际上高性能、新一代装置的数量不断增长, 装置的建设规模也在不断增大, 对社会和科技发展的影响越来越深刻和广泛; 依托大科学装置形成的大型科学研究中心成为国家重要的创新平台甚至国际化的世界研究中心. 因此, 各国都积极建设大科学装置, 参与相关的国际合作, 同时制定长远发展规划, 把大科学装置的发展作为提升国家创新驱动能力和国际竞争力的重要举措.
我国大科学装置的发展, 经历了从无到有、从小到大, 从学习跟踪到自主创新的过程. 新中国成立初期, 在“两弹一星”计划带动下, 我国大科学装置建设取得了良好开端. 改革开放后, 特别是“九五”以来, 在国家基本建设投资中, 对大科学装置的投入大幅增长, 一批具有重大影响的大科学装置相继建成, 覆盖范围从粒子物理与核物理、天文学等传统大科学领域, 向地球系统与环境科学、生命科学、能源科学和材料科学等新兴领域拓展. “十一五”期间, 我国投入60多亿元人民币, 建设12项大科学装置. 2013年2月, 国家首次发布制定了《国家重大科技基础设施中长期建设规划(2012–2030年)》, 提出了在未来“十二五”期间建设国家海底科学观测网、高能同步辐射光源验证装置、加速器驱动的嬗变研究装置、综合极端条件实验装置、强流重离子加速器、高海拔宇宙线观测站、中国南极天文台等16项重大科技基础设施. 随着国家不断加强顶层规划和不断加大资源投入, 我国大科学装置的整体水平和能力将跨入世界前列, 交叉和前沿学科领域的自主创新也将具有更加坚实的装备条件和物质基础.
中国科学院在我国大科学装置的发展中始终发挥引领和骨干作用, 是我国大科学装置研制、建设和运行的主要力量. 已建成并投入运行和正在建设、即将建设的大科学装置共20余项, 其中12个大科学装置在运行之中, 包括用于高能物理、重离子物理、等离子体物理、天文等专用研究装置, 以及为多学科领域基础研究、应用基础研究和应用研究服务的同步辐射公共实验平台和遥感卫星地面站、长短波授时台、遥感飞机等公益基础设施. 对于专用研究装置, 致力于开展有特色科学研究工作, 对于公共实验平台装置, 强调开放共享, 提高装置的利用效率, 为科技自主创新提供有力支撑.
同时, 依托中国科学院承建和运行的大科学装置, 取得了一大批具有国际影响力的创新成果, 支撑了交叉科学的研究, 并通过技术辐射促进了国家在经济、民生等领域的发展.
一、促进了前沿研究的发展
依托北京正负电子对撞机和北京谱仪实验取得的τ子轻子质量精确测量、R值精确测量、发现新的共振结构等重要成果; 大亚湾中微子实验发现了新的中微子振荡模式, 并测得其振荡几率, 这使人类对中微子的基本特性有了更深入的了解, 引导了未来中微子物理发展的方向; 依托重离子加速器-冷却储存环合成了11种近滴线稀土新核素, 并在世界同类装置中率先达到10-7量级的短寿命核质量测量相对精度; 利用全超导托卡马克核聚变研究装置“东方超环”获得了高参数等离子体: 如获得超过400 s的两千万度高参数偏滤器等离子体、获得稳定重复超过30 s的高约束等离子体放电, 这分别是国际上最长时间的高温偏滤器等离子体放电、最长时间的高约束等离子体放电.
二、平台型装置为多学科交叉研究提供了先进的手段
北京同步辐射装置、上海光源、合肥同步辐射装置设施能够提供从X射线到真空紫外宽波段的强辐射光, 兰州重离子研究装置能够提供从质子到铀的全离子加速, 合肥稳态强磁场装置将能够提供磁场强度达40 T稳态混合磁体和系列不同用途的高功率水冷和超导磁体. 这些研究装置为凝聚态物理、生命科学、材料科学、资源与环境科学、纳米科技、医学与药学、化学化工、核天体物理等众多领域提供实验研究手段, 展现出对多学科交叉综合研究的强大支撑能力. 以依托同步辐射装置的研究为例, 科研院所和高等院校的相关课题组在结构生物学、分子反应动力学、古生物学、燃烧等领域的大量高水平研究成果在Science, Nature等杂志上发表, 同步辐射装置还为一些涉及国家安全的研究课题提供了重要技术支持.
三、促进了高新技术应用领域的发展
大科学装置的建设和运行带动了我国高新技术的自主创新和高技术产业的发展, 如高精度加工、精密测量、自动控制、磁铁、超导、电源、高频、微波、超高真空、信息、医疗设备等, 直接促进了相关企业的技术进步和新产品开发的能力, 在经济、民生和国家安全等领域发挥了重要作用. 例如, 通过与医疗单位合作, 在兰州重离子研究装置上开展了浅层和深层肿瘤治疗试验研究, 并正在步入产业化; 在建设北京正负电子对撞机时引进的WWW万维网, 实现了中国与世界的第一次“触网”, 推动了国家的网络和信息技术的发展; 全超导托卡马克装置和国际热核聚变实验堆的研制任务促进了我国超导产业的大发展.
随着大科学装置的建设和聚集, 进一步发展成为依托设施或设施群的国家大型综合研究中心. 中国科学院现有和拟建的大科学装置大多集中在合肥、上海、北京、广东等地, 并具有了覆盖全国的天文观测与研究网络, 为形成依托大科学装置的大型综合研究基地奠定了良好的基础.
回顾我国大科学装置的发展历程, 围绕大科学装置已取得了一批具有重大科学意义的创新性成果, 大大提升了我国在国际上的科技竞争力. 但是, 同发达国家相比, 我国大科学装置的科学产出水平和数量还有一定差距, 配套基础设施相对薄弱; 开放共享的软硬件不足, 大科学装置的发展同建立国家创新体系的需要相比, 还存在较大差距. 因此, 应加快实施大科学装置发展战略, 加大对大科学装置建设、运行及其科学研究的投入, 为迎接新科技革命挑战、进一步夯实我国科技创新的基础能力, 提升自主创新能力, 建设创新型国家做出新的更大贡献.
为加强对大科学装置的了解和认识, 分享大科学装置的建设和运行经验, 探索大科学装置的长远规划与前瞻布局, 中国科学院学部工作局、前沿科学与教育局组织了“数理相关领域大科学装置”科学与技术前沿论坛. 《中国科学：物理学力学天文学》期刊为及时报道、展示论坛成果, 约稿9位报告人出版本期专辑. 专辑汇集了北京正负电子对撞机、大亚湾反应堆中微子实验装置、大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜等已建装置的研究成果, 以及国家稳态强磁场实验装置、500 m口径球面射电望远镜等在建装置和未来即将开展的前沿科学研究, 还有“十二五”规划建设的高能同步辐射光源验证装置、大型高海拔空气簇射宇宙线观测站、综合极端条件实验装置、地球系统数值模拟器等装置的进展动态. 希望以本专辑来抛砖引玉, 欢迎科研工作者依托大科学装置共同开展科学研究工作, 充分发挥大科学装置对多学科研究强有力的支撑作用.
詹文龙
中国科学院
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