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中國要怎樣發(fā)展大科學裝置？| 科學四十人閉門耕

2022/11/28
導(dǎo)讀


  導(dǎo)  讀  


《科學四十人》系列座談第五期


斥資幾億、幾十億的大科學裝置，規(guī)劃和建造應(yīng)當如何決策？大科學裝置是盛宴已過還是正當其時？中國現(xiàn)在的大科學裝置數(shù)量是多是少？大科學裝置在研究中發(fā)揮了什么作用？

就這些問題，《知識分子》聯(lián)合 “科學四十人”，邀請到中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所研究員陳和生，中國科學院國家天文臺FAST（中國天眼）首席科學家李菂，中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院院長潘教峰，組織了科學四十人第五期閉門耕座談。主持人為中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員、中國科學院院士、《知識分子》總編輯周忠和。以下為文字實錄。
文字整理 | 張?zhí)炱?/span>
責編 | 錢煒

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大科學裝置是什么？


周忠和：我們今天非常榮幸邀請到三位專家參與到關(guān)于大科學裝置的討論。大家知道，美國科學學家普萊斯于1962年6月發(fā)表了題為“小科學大科學”的著名演講。他認為，二戰(zhàn)前的科學都屬于小科學，從二戰(zhàn)時期起進入了大科學時代。大科學裝置是典型的大科學時代科技發(fā)展的產(chǎn)物，大科學裝置已經(jīng)成為美國、德國、英國等很多發(fā)達國家開展科技創(chuàng)新活動和提高原始創(chuàng)新能力的重要設(shè)施。


國外大裝置產(chǎn)生了不少諾獎級的成果，例如美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室利用散裂中子源強激光裝置產(chǎn)出了大量成果，涌現(xiàn)了6位諾貝爾獎獲得者和計算機的發(fā)明者；勞倫斯伯克利國家實驗室產(chǎn)生了13位諾貝爾獎獲得者和15位國家科學獎?wù)芦@得者。


在我國，僅以中科院為例，目前已建成并投入運行、正在建設(shè)和即將建設(shè)的大科學裝置共有20余項，其中有12個在運行之中，主要用于高能物理、重離子物理、天文等領(lǐng)域。我們今天就針對大科學裝置進行一些討論。


第一個我想請教大家的問題是，什么是大科學裝置，業(yè)界可能并沒有嚴格定義，但有沒有一個便于公眾理解的定義？大科學裝置都有幾種不同的類型？在我們國家到底有多少大科學裝置，有沒有一個大致的數(shù)字？


周忠和


陳和生：大科學裝置的特點就是大。它的規(guī)模大，涉及到的科學家和工程師的隊伍規(guī)模大，投資大，涉及的建設(shè)周期長，運行做研究工作的周期也長。它面對的是前沿科學的基礎(chǔ)問題和國家高科技發(fā)展面臨的一些瓶頸問題。它提供大型的科學平臺來開展科學研究。


大體上分為三類，第一類是基礎(chǔ)科學研究，專門為某一個領(lǐng)域服務(wù)的專用的大科學裝置，比如說粒子物理的對撞機，核物理的實驗裝置、等離子體聚變裝置，天文望遠鏡等等。


第二類是多學科交叉前沿平臺，比如同步輻射光源、散裂中子源、自由電子激光等，它不是為某一個領(lǐng)域的科學目標服務(wù)的，而是高度開放。以同步輻射為例，材料科學技術(shù)、資源環(huán)境、物理化學化工、新能源等各個領(lǐng)域，你有什么問題需要用非常強的同步輻射光來解決，都可以來做實驗。


第三類主要是屬于公益性裝置，提供社會服務(wù)，主要積累資源環(huán)境領(lǐng)域的數(shù)據(jù)。比如國家授時臺，它為全國提供時間標準，這個時間標準對我國的很多領(lǐng)域都非常重要，比如地震觀測網(wǎng)絡(luò)、海底觀測網(wǎng)絡(luò)、種子庫、子午線工程等等。


以上這三類都是必不可少的。


最早我們叫大科學裝置，建設(shè)大科學裝置叫大科學工程，從本世紀初開始就改稱重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。但這二者還是有一些細微區(qū)別，比如同步輻射光源、對撞機，是集中在一個地方的，就叫大科學工程或大科學裝置；而像子午線工程、地震觀測網(wǎng)絡(luò)或者海底觀測網(wǎng)絡(luò)，就不是在集中到一個地方了，在這種情況下，國際上就把它擴展成為了“重大科技基礎(chǔ)設(shè)施”。


大概在2012、2013年左右，國家發(fā)改委在文件里對重大科技基礎(chǔ)設(shè)施有了明確的定義。


周忠和：大科學裝置還是一個更通俗的說法。


陳和生：對。你可以說大加速器、大光源是大科學裝置。其他的就不好說了，不是很嚴謹。現(xiàn)在叫重大基礎(chǔ)設(shè)施，英文是large research infrastructure，原來叫 mega-science 或者 large science facility。


周忠和：我理解您說的這三大類型可以這樣概括：第一是專項型，是某一個領(lǐng)域?qū)Ｓ玫?，更?cè)重基礎(chǔ)前沿研究；第二是平臺型，是跨學科的，用于交叉前沿學科研究；第三是公益型，可以用于研究，更多側(cè)重于社會服務(wù)。從第一類到第三類，應(yīng)用范圍越來越廣。


陳和生：對。10年或15年以前，國家新上的大科學裝置項目，第一類比較多，也有一部分第二類?，F(xiàn)在有越來越多的大裝置用于解決國家發(fā)展戰(zhàn)略當中的瓶頸問題，為了實現(xiàn)高水平科技自立自強。


周忠和：所以我覺得定義很重要，跟后面要討論的問題是有關(guān)系的。還想請教下李老師，剛才陳老師講的定義是定性的，還有沒有一個定量的概念。比如說一個大科學裝置項目，造價要多少錢？


李菂：對，剛才陳老師的總結(jié)引發(fā)我的思考。比如說中國天眼，造價是10個億左右。最初的預(yù)算是6.7億，實際造好的時候是11.5億。大科學裝置的造價可大可小，但是總的說來，跟基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)比起來，它的成本還是很小的，比如10個億可能只夠修一公里地鐵。


陳和生：國家發(fā)改委基本上以10億為標準。


周忠和：潘院長是管理方面的大專家了，根據(jù)你了解的情況，我們國家的大科學裝置有沒有一個大概精準的統(tǒng)計數(shù)字？


潘教峰：大裝置和它劃分的定義是很有關(guān)系的。目前來講定義也是眾說紛紜。國家確實也有一個相對的一個標準，但也是相對的。


我再補充一下怎么來認識大裝置。實際上，大裝置也是科學儀器的一種類型，但是它代表了科學儀器的最高水平，其目的還是服務(wù)于科學研究與科學前沿探索。在這個意義上，產(chǎn)生了這樣一批投資大、非常復(fù)雜而且精密的儀器，這就構(gòu)成了所謂大科學裝置這么一個概念。我們也說它是重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，實際上是一種大型復(fù)雜的科學研究系統(tǒng)。


如果這個定義成立的話，我們國家現(xiàn)在大致上有70個左右的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，在全球已經(jīng)排到第二位了，美國應(yīng)該有將近200個左右，日本大概有30多個，歐盟大概有43個，主要集中在德國和法國。按照陳老師剛剛的分類法，第一類第二類的大科學裝置比較多，第三類相對來說比較少。


陳和生：我再補充一點關(guān)于大科學裝置的作用，就像剛才潘院長講的，它提供極端的研究條件，比如非常微小的世界的研究，或者是像宇宙這樣非常大的，或者非常高的溫度。這個大裝置從何而來？


本質(zhì)上說，大科學裝置是從粒子物理、核物理的大裝置興起的。為什么粒子物理、核物理裝置越修越大？因為我們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的層次越來越深入。根據(jù)海森堡測不準關(guān)系，你所研究的尺度和你所需要用的動量，也就是能量，乘起來是個常數(shù)。所以尺度越小，就需要越高的能量。隨著我們物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究深入到越來越小的尺度，裝置就越來越大。


粒子加速器本來屬于第一類，但是后來發(fā)現(xiàn)加速器產(chǎn)生同步輻射光，它對粒子物理研究是非常有害的，因為它的同步輻射能量和能量的5次方成正比，限制了達到高能量。但是，對于其他領(lǐng)域來說，輻射光非常有用，它的X光比醫(yī)院里的X光高億倍、百億倍、千億倍，是材料科學、資源環(huán)境結(jié)構(gòu)研究的工具，由此就衍生出了第二類的科學平臺。


這些重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，成為了國家科技創(chuàng)新體系里非常重要的一個單元，是基礎(chǔ)科學研究和高新技術(shù)發(fā)展的一個載體。同時圍繞著它往往又形成了高新科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)，比如說美國的硅谷，它和斯坦福大學有合作，還有日本的筑波科學城等，都和科技基礎(chǔ)設(shè)施有關(guān)。


還有一點，大科學裝置也推動教育的發(fā)展。很多大學都是和大科學裝置結(jié)合起來，比如加州伯克利大學和加州伯克利實驗室的結(jié)合就促進了伯克利大學的發(fā)展。


周忠和：陳老師的意思是，三類大科學裝置的產(chǎn)生有先后順序。這里面的邏輯關(guān)系，恰恰是從基礎(chǔ)研究到交叉拓展研究到應(yīng)用的這樣一個順序。


大科學裝置建設(shè)過熱了嗎？

周忠和：接下來的問題，你們覺得我國現(xiàn)有的大科學裝置數(shù)量是多了還是少了呢？


潘教峰：這個問題可能很難用多或少回答，可能還是要回歸到大科學裝置的用處，它是服務(wù)于科學研究的，要看我國科學研究本身的需要是不是得到了有效滿足和支撐，這是一個考慮問題的標準。


按照我的觀察，我們國家今天已經(jīng)規(guī)劃布局的大科學裝置，和我國科學發(fā)展的需求還是比較匹配的，甚至已經(jīng)做到適度超前了。大科學裝置建設(shè)要適度超前，但也不能過于超前。


潘教峰


周忠和：您是從管理的角度來說，數(shù)量總體上還是比較適中的，有適當超前。我來問問陳老師和李老師，從科學研究發(fā)展階段的角度來看，除了數(shù)量還有布局是否合理等等，我們大科學裝置目前的發(fā)展狀態(tài)你們是否滿意？


陳和生：我國現(xiàn)在的大科學裝置，要能支撐我國在國際前沿基礎(chǔ)科學的研究，特別是高水平科技自立自強，還是有一定差距。我們是要適度超前，但距離真正能夠解決我們國家現(xiàn)在面臨的發(fā)展戰(zhàn)略中的瓶頸問題，比如材料科學技術(shù)、能源資源環(huán)境等，還是有一定距離。


我同意潘老師的判斷，一方面是看需要，一個是科研隊伍水平能夠支撐，還有一個問題是我們建設(shè)隊伍的水平。這不是蓋歌劇院、博物館、修廣場，不是說隨便哪個隊伍都能建，而是需要一個幾百人的科學、技術(shù)、工程管理、技術(shù)支撐的有經(jīng)驗的隊伍。


“十四五” 的大科學裝置申請過程我經(jīng)歷了，我覺得是有些過熱。地方政府對這個問題的認識上也是參差不齊。


2003年到2005年，我們?yōu)橹袊⒘阎凶釉催x地點，當時首先考慮是北京。道理很簡單，第一用戶在北京最多，第二建設(shè)隊伍在北京。但是在北京找不到地方，地方政府認為你既不產(chǎn)生GDP又不能收稅。北京那么大，我們從昌平一直找到燕郊、大興，都找不到地方。


2006年2月，我去到廣東。當時廣東省的領(lǐng)導(dǎo)和我們中科院的路院長都是高瞻遠矚，想要推動大科學裝置建設(shè)。路院長當時跟我說，大科學裝置不能都集中在北京、上海，應(yīng)該要優(yōu)化布局。他特別強調(diào)廣東的經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)升級對科技的需求非常強烈，科學院要把自己在基礎(chǔ)研究上的雄厚實力與廣東強勁的經(jīng)濟實力以及產(chǎn)業(yè)升級對科技發(fā)展的需求結(jié)合起來。


就是這樣一個機會，最后我們就落戶了東莞，而現(xiàn)在它已經(jīng)成為支撐粵港澳大灣區(qū)綜合性國家科學中心最主要的科學平臺，它的牽引力非常大。


為什么我說現(xiàn)在大科學裝置的建設(shè)又有些過熱。像當年中國散裂中子源項目沒人要，只有廣東省政府和路院長有遠見。而現(xiàn)在國家強調(diào)科技創(chuàng)新，強調(diào)大科學裝置的建設(shè)，部分領(lǐng)導(dǎo)從政績的觀點出發(fā)，想要建設(shè)項目，但并不真正考慮這個地區(qū)是不是需要一個同步輻射光源、有沒有隊伍來建設(shè)、有沒有用戶群體，就開始做。


他們的想法是，只要我抱一個項目在懷里，就表明我緊跟國家科技創(chuàng)新的部署。“十四五” 規(guī)劃里面，全國要建十多個光源。國家發(fā)改委就問我們，你們認為中國到底該有多少個光源？但是沒有辦法，一旦某些領(lǐng)導(dǎo)把它當作政績來看待，就會出現(xiàn)過熱的問題。


潘教峰：陳院士確實為我國大科學裝置的優(yōu)化布局和建設(shè)做出了巨大貢獻。我們在做規(guī)劃、做戰(zhàn)略研究時確實看到，早期好多地方政府覺得它是個負擔?，F(xiàn)在國家重視科技創(chuàng)新，一些地方政府就又把它當作是一個重大投資的機會，還可以贏得一個科學名片，但很少真正考慮大科學裝置建設(shè)的本意，要和科學研究的需求緊密結(jié)合。這個區(qū)域有沒有強烈的需求，有沒有用戶，這方面考慮顯得欠缺了一點。


在黨的 “二十大” 之后，我國更是把科技擺在了前所未有的位置。在這個意義上，各地方會更重視科技創(chuàng)新，那么大科學裝置本身的建設(shè)，將來肯定也會成為許多地方都高度重視的、顯性的抓手。所以要高度重視布局問題。


周忠和：兩位剛才講的，其實是大裝置的布局和設(shè)計，更多的還是需要科學界來貢獻智慧。我們是從科技技術(shù)方面考慮，可能有些地方政府是從經(jīng)濟方面考慮，這是比較復(fù)雜的。我想問下李老師，從您更熟悉的天文學學科角度看，大裝置算不算超前？


李菂：從天文這個小學科來講，我的看法激進不少。主要是因為我們學科落后特別多。比如說天眼是2011年開始建設(shè)，2016年年底建成，2020年才投入使用。而美國的阿雷西博望遠鏡早在1963年就投入使用，1973年它發(fā)現(xiàn)了雙中子星，這個發(fā)現(xiàn)在1993年獲得了諾貝爾物理學獎。我們在射電望遠鏡領(lǐng)域落后了30年到50年，到今天才投入了10個億人民幣到天眼建設(shè)中。又比如說光學領(lǐng)域，20世紀初哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹，而國內(nèi)現(xiàn)在的光學望遠鏡還沒有達到美國20世紀初的水平，在這個方向上我們又落后了50年到100年的樣子。所以從我們行業(yè)的小視角來講，像天眼這樣的大科學裝置，整個投入至少還要提高一個數(shù)量級，我們才能進到國際一流俱樂部里頭去和高手一塊玩。


周忠和：剛才您說的是需求，是從理想的角度說。那么關(guān)于我們的隊伍和建設(shè)能力，有沒有這方面的困難？


李菂：這個困難實際上是很大的，但是關(guān)于天眼隊伍的建設(shè)和運行，我倒是越來越樂觀了。


舉幾個基本的例子，天眼有兩個重要的方向。一個大家都比較熟知的是脈沖星，脈沖星衍生出來一個概念叫快速射電暴，就是非常明亮的在宇宙射頻波段最劇烈的爆炸，但我們現(xiàn)在完全不知道它的起源。另一個是研究宇宙的原子氣體，叫做中性氫。


天眼項目是2007年底發(fā)改委正式批復(fù)立項的，2008年我是科學院聘的兼職項目科學家，2012年全職參加該項。當時我在各個單位了解了一下，我國在原子氣體研究領(lǐng)域能夠做一線數(shù)據(jù)處理的不超過5個人。但是到今天，由于設(shè)備和平臺的成功，現(xiàn)在日常有100個人。所以裝置的部署可以帶動發(fā)展，當然也還要契合國家的能力和我們的科學目標。


陳和生：還有一個是要符合建設(shè)隊伍的能力。比如中國同時建10個這樣的裝置，相匹配的天文隊伍是比較容易發(fā)展的，天眼的數(shù)據(jù)可以交給大學中的老師做分析。但是能夠建設(shè)天眼裝置的隊伍，恐怕是很難做到同等數(shù)量級式的增長。


大科學還是小科學？


周忠和：我們稍微轉(zhuǎn)換一下，回到大科學和小科學的討論。上個世紀60年代有人提出了大科學與小科學的說法，半個多世紀以后，大科學依然是產(chǎn)生原始創(chuàng)新的主要模式嗎？是不是不同的學科不一樣？


很多人會覺得，最原始的創(chuàng)新還是要靠小團隊的PI模式，但有的人會覺得大科學會替代小科學。我的理解是，大科學從60年代或者二戰(zhàn)之后開始快速發(fā)展，現(xiàn)在是一種大科學與小科學并存的情況。潘院長你怎么看待這個問題？


潘教峰：我是這么理解大科學和小科學的區(qū)分。首先，為什么要提出大科學這個概念？因為現(xiàn)在的科學研究越來越復(fù)雜，涉及時間分辨率、空間分辨率及其精度和極端條件下的溫度、壓力、強度耐受性等，需要提供極端條件的研究手段和工具。沒有大科學裝置，微觀的東西你看不清楚，內(nèi)在的機理和關(guān)系你也把握不了。我們看到，上世紀70年代以來，不少諾貝爾物理學獎的成果，有的人說占40%左右，用到了大科學裝置產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，就說明了這一點。


但是從研究本身來說，我覺得真正的科學原創(chuàng)還是要靠科學家的智慧，團隊可以提供多方面的支持?？茖W創(chuàng)新還是要圍繞著原創(chuàng)的思想來做。正如布什在《科學：無止境的前沿》中指出，基礎(chǔ)研究應(yīng)該由“一小群熟諳自然基本規(guī)律的天才”來進行。


另外一方面，大科學是眾多學科之間的交叉融合，交叉融合的關(guān)鍵是要找到交叉融合的點。從這個意義上來講，我是覺得“大”和“小”是相對的，科學應(yīng)該由最優(yōu)秀的科學家來主導(dǎo)，不能拿大科學擠壓小科學，真正的原創(chuàng)還是要靠有創(chuàng)造力的科學家來做出來。


周忠和：即便是有大科學大裝置，個體的創(chuàng)造力、團隊負責人或者主要骨干的作用也很重要。關(guān)于這點陳老師您如何看待？


陳和生：大科學和小科學是密不可分的，而且會長期共存。很多理論研究需要大科學裝置去檢驗。大科學裝置上的一些發(fā)現(xiàn)，又突破了現(xiàn)有的理論，促進了理論發(fā)展。你很難說理論研究是一種大科學，就是少數(shù)幾個人帶著學生在做。但另一方面，傳統(tǒng)上的小科學也越來越需要使用到大科學裝置，比如說一個老師帶幾個學生的小組，也必須用最先進的同步輻射散裂中子源作為研究手段去解決問題。


科學的發(fā)展是有多樣性的。大科學和小科學是密切的交叉滲透，而且會相互推動發(fā)展。這是我的看法。


陳和生


周忠和：李老師您從天文學的角度來說，我們外行感覺到天文學離不開天文臺這樣的大裝置，這個領(lǐng)域里面有沒有大科學小科學的區(qū)分？


李菂：可能更像剛才陳老師講的后一種情況，目前天文學的主流都是依靠大裝置，但是具體發(fā)文章的時候，它實際上又是小科學的。比如今年初，我們利用天眼發(fā)的文章登在《自然》雜志封面上。我們團隊只有6個人，但絕對是依賴天眼的能力。就像您開場時引用美國科學學家普萊斯的話，他總結(jié)得很到位?！岸?zhàn)”以前，天文學基本上還是小科學，哈勃研究宇宙的膨脹，他依靠的是民間基金會出錢給帕拉瑪觀測站修的望遠鏡。


“二戰(zhàn)” 以后的重大發(fā)現(xiàn)，以美國為代表，都是依靠國家級的設(shè)備才能產(chǎn)生歷史性的推動。比如哈勃望遠鏡、詹姆斯?韋伯望遠鏡的投入是110億美金，是中國天眼的80倍。他們剛剛在地外行星的大氣發(fā)現(xiàn)二氧化碳，這些重大發(fā)現(xiàn)正在迅速刷屏。


像天眼的話，我們經(jīng)過三輪的公開征集，現(xiàn)在已經(jīng)認證并且開始執(zhí)行的有將近400個項目。所以這個平臺可以算大科學，但是每一個項目每一個課題還是小科學。


周忠和：我突然想到，小科學大學科的關(guān)系，就有點像公園里面有綠地也有樹，全是變成樹也不可能是吧？我們需要有草地和樹的一種合理的搭配，達到一種景觀。


李菂：公園和草地就是平臺，個體或者課題組就是種樹栽花。


周忠和：相互依存，密不可分。

大科學裝置的經(jīng)濟賬


周忠和：下一個問題，我們國家的大裝置的產(chǎn)出和投入相比是否還是比較匹配的？陳老師您談?wù)劇?/span>


陳和生：我國大裝置的數(shù)量和種類應(yīng)該說已經(jīng)進入國際前列，但是我們在裝置本身的技術(shù)水平、創(chuàng)新技術(shù)這方面與國際上差距還比較大，差距更大的是它產(chǎn)出的研究成果。


我認為，我國大裝置對我們國家科技創(chuàng)新和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的支持還不夠，關(guān)鍵是隊伍的水平。哪怕是大型企業(yè)，沒有多少人真正能夠用同步輻射散裂中子源去解決問題。


周忠和：生產(chǎn)和購買中間還缺了點東西。


陳和生：技術(shù)人員的水平比較差，他沒有用過。還有一個問題，中國比較熱衷建造新的裝置，但是這些裝置的實驗終端水平與國際上的差距比較大。很多大科學裝置建完了好長時間，它的實驗終端遲遲得不到批準，配不齊，實驗大廳空空蕩蕩。而很多地方政府的興趣是我再去造一個，不考慮自己有沒有能力，有沒有用戶，從政績觀出發(fā)，就是希望再造一個。


“十四五” 的時候，國內(nèi)有十多個單位提出要建同步輻射光源，顯然這些單位并不都是國際一流水平，難免有些重復(fù)建設(shè)。我認為我們現(xiàn)在的投入不是多了，而是說投入的結(jié)構(gòu)不合理，應(yīng)該加大對已建成的大科學裝置的改造升級，提高實驗終端的配合和研究經(jīng)費，現(xiàn)在這部分不能得到很好的保障。


還有人員的評價體系問題。大科技裝置起到了很大作用，但是每年的院士、杰青、優(yōu)青評選，真正從事大科學裝置建設(shè)的人很難評得上，原因是沒有論文發(fā)表。哪怕他在建設(shè)運行大裝置的過程中有很多創(chuàng)新，克服很多困難，但是得不到評價體系的認可。這些都阻礙了大裝置的發(fā)展。


所以我認為應(yīng)該更多的投入到研究工作，還有大裝置的實驗終端配套設(shè)施，著眼點是成果，而不是造更多裝置。這對支撐國家的高水平科技自立自強是非常重要的。


周忠和：您提了非常尖銳的問題，重面子輕里子的現(xiàn)象確實存在，還有評價體系的問題。李老師你有沒有這方面的感受？


李菂：對，有一些類似。我查了一下，詹姆斯?韋伯望遠鏡造價110億美金，一般來講一個大裝置每年的運行費是它造價的10%，包括養(yǎng)護、用水用電、技術(shù)升級、養(yǎng)研究人員的費用。今年美國國會專門撥給詹姆斯?韋伯望遠鏡1.8億美金，只占到宇航局預(yù)算的0.7-0.8%的樣子，所以它也不是很寬裕，但是1.8億美金是個什么概念？


我查了一下，我們國家天文臺的一年的預(yù)算是5-10個億，年景好的時候是10個億，一般是5個億。但是，這已經(jīng)包含了天眼建設(shè)期間的建設(shè)經(jīng)費。歐洲的歐南臺，是十幾個國家的聯(lián)合組織，有很多設(shè)備，一年的經(jīng)費大概是1.2-1.3億歐元。日本國立天文臺大概是一兩千萬美金，有100多個研究性員工。也就是說美國僅僅一臺大裝置的運行費用，就基本上覆蓋了歐洲、中國、日本，再加上馬普所的一個天文所這些機構(gòu)一年運行費的總和。


李菂


陳和生：你這個說法不確切。美國是把人員費都算進去，而日本或者是歐洲的人員費是占了極大的比例，占了80%-85%，沒算在這里。所以當你說歐洲南方天文臺經(jīng)費是多少錢的時候，并沒有包含為南方天文臺服務(wù)的這么多科學家的費用。美國的額外開銷也非常厲害。運行經(jīng)費肯定是有差距，但這個差距不像你講的那么大。


李菂：實際上我想的跟您要說的一模一樣。我們現(xiàn)在最缺的是養(yǎng)人的錢，包括維護和科學研究。錢還是不夠。


周忠和：所以大裝置建好了，不是什么事都完了，后續(xù)的管理維護很重要，還需要升級改造等等。


陳和生：要是不升級改造就會落后。


周忠和：這就是一個可持續(xù)發(fā)展，能不能更好地發(fā)揮大裝置作用的問題。這方面還包括人員費、對人員的管理。


潘教峰：政策和管理上確實還需要進一步加強。


周忠和：理想條件下，這類大裝置的立項應(yīng)該是一個什么樣的決策機制？是政府來決策，還是由科學共同體來決策呢？陳老師您談?wù)劇?/span>


陳和生：決策問題很復(fù)雜，從政策咨詢到管理，我想潘老師應(yīng)該也參與了很多。我認為大科學裝置的決策，第一要考慮國家的科技政策，我國現(xiàn)在最迫切的科學技術(shù)問題是什么，要求大科學裝置解決什么問題。這里頭既有國家發(fā)展戰(zhàn)略的一些瓶頸問題，也有符合我們國家國情國力的科學前沿研究。


首先是科技政策。國家的優(yōu)先級是由國家發(fā)展的需求，結(jié)合我們的國情來決定的。在當前嚴峻的國際形勢之下，這個問題更為迫切，我們需要做到高水平科技自立自強。第二，是所在的領(lǐng)域?qū)Πl(fā)展戰(zhàn)略的研究。我個人認為大科學裝置的決策機制應(yīng)該是由專家來決定，這是國際共同的做法。第三，做一個決策，必須有邊界條件，第一位的邊界條件就是國家在這個具體的領(lǐng)域投多少錢。如果沒有特別的理由就要增加5倍8倍經(jīng)費，這是不太現(xiàn)實的。比如，國家發(fā)改委每5年計劃造的大科學裝置的經(jīng)費，是有限的，相對固定的，不可能讓一個學科把大部分的錢拿走。


過去這20多年，總體上是越來越規(guī)范化了，項目的評審也越來越透明公開了。


周忠和：科學問題、這些大的設(shè)想和計劃要由科學界提出，但政府肯定是從財政、學科平衡、國家的戰(zhàn)略需求、社會發(fā)展需求等多方面綜合考慮。前不久我在看一本書叫《純科學的政治》，是美國人上世紀60年代寫的，里面講到科學家為了他們的大裝置項目，有時候除了做自己的本職工作之外，還要做一些游說。李老師，你覺得我國的科學家為了爭取到更多的支持，是不是也要做一些這樣的事？


李菂：我們天眼項目在貴州，肯定也要跟當?shù)卣嗷チ私狻?/span>


周忠和：你們給貴州帶來了巨大的旅游收入。


李菂：這是后來的事，在建設(shè)的過程中是看不見的，不知道最后能搞成什么樣。我們給平塘縣特別是黔南州帶來了一些比較實在的東西，我看過他們的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，天眼建成以后，2016年到2018年左右，當?shù)孛磕甑穆糜瘟魉蟾攀?0個億。但這個模式不一定能復(fù)制，存在特定的條件，天眼在視覺上對大眾有很強的沖擊力。


陳和生：沒有看到美國歐洲哪個天文臺成為景點的。大量的游客對科研的環(huán)境的影響會很大，比如交通堵塞、環(huán)境污染。東莞看到天眼那么熱鬧，也想發(fā)展旅游，但我認為不適合。像你們那樣修一個天街，造兩個五星級賓館，全世界獨一無二。我這個人思想保守。


李菂：我們一直也是很矛盾的狀態(tài)。地方政府很不容易，我們在條件允許的情況下都盡量支持，另外我們也要求射電的靜默，這會對我們的信號搜集產(chǎn)生影響。


周忠和：現(xiàn)在越來越強調(diào)科普科學教育的意義，所以旅游的增量也是超出你們的預(yù)料。


李菂：遠遠超出我們的預(yù)料。


周忠和：潘老師，我們建大裝置，是不是可以提升我們國家的軟實力和在國際上的影響力。比如說人家想脫鉤，而我們有了大裝置，可以吸引更多國際上的合作參與。從您的站位上怎么看？


潘教峰：我很贊同。我國的經(jīng)濟體量和科學研究已經(jīng)達到了一定水平，也到了一個該往上突破的時候了。現(xiàn)在我們有了大科學裝置，可以吸引全球科學家來開展研究，是我們高水平對外開放的一個重要平臺和抓手。


周忠和：與此相關(guān)的一個議題是大科學裝置的開放共享，這是我國目前正在推動的一個重點工作，也是大科學裝置管理的一個世界性問題。您覺得我們在這方面做得怎么樣？


陳和生：我接著潘老師說。以北京正負電子對撞機為例，我們從1990年代就開始了以我為主的大型的國際合作，十多個國家包括美國歐洲的物理學家到北京正負電子對撞機上工作一直到現(xiàn)在。


在改革開放的初期，是我們出去；現(xiàn)在，我們是東道主。這樣的例子還有很多，比如說西藏的羊八井國際宇宙線觀測站，它有中意合作和中日合作；大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗，是中國和美國的合作。當時美國能源部的人告訴我，這是美國在海外的僅次于歐洲核子研究中心的最大的合作。


這些都表明了重大的科學裝置，特別是那些能夠發(fā)揮我國獨特優(yōu)勢的大裝置，特別具有吸引力，能夠推動以我為主的國際合作。


我想大科學裝置的特點就是必須開放共享，并且是國際共享?？茖W院每年都有考核指標，每年你的裝置，外來用戶使用的機時要超過比如說80%-90%，不能說這個東西只有自己用。這是非常嚴格的。國家提供了建設(shè)費運行費，那么你必須對國內(nèi)外的其他用戶開放共享。


在這個意義上，這些大科學裝置的開放共享程度遠比一些大學實驗室的開放程度要好得多，規(guī)模要大得多，這也是國際的普遍規(guī)律。你到我們這里來做實驗，盡管我一年的運行費大概將近兩億，一天的運行費五六十萬，但是我們不對你收費，這是非常高水平的開放，符合國際慣例。這對科學技術(shù)的發(fā)展非常重要。我想這個是大科學裝置的基本特點。


周忠和：李老師，天眼的開放程度怎么樣？


李菂：我們天文學科的特點就是比較開放，因為我們實用性差。


周忠和：和粒子物理相比呢？


陳和生：應(yīng)該是更為開放，用一句話說就是在可以預(yù)見的將來沒有任何實用價值。


李菂：因為我們特別沒用，就有條件開放共享。像美國，比如美國國家射電天文臺、美國國家光學天文臺，中等大小的裝置也要全球性開放。我們的天眼拿出了少部分時間向國際開放了兩輪，PI來自18個國家。


周忠和：還是不夠，還是要進一步開放。


李菂：今年受到了疫情的影響。雖然可以遠程觀測，需要的數(shù)據(jù)我們可以記在硬盤上，但是交流過程還是很難完全替代的。


周忠和：潘老師如何看待開放共享的程度的問題？我們現(xiàn)在強調(diào)人類命運共同體，大科學裝置又是呈現(xiàn)大國開放胸懷和實力的很重要的平臺。


潘教峰：我覺得應(yīng)該進一步加大開放共享的力度，甚至說國家應(yīng)該搞點基金來支持其他國家的科學家來開展聯(lián)合研究，成為聚集全球智慧的開放創(chuàng)新的高地，這也是中國對世界科學發(fā)展的一種貢獻。


另外，這也是反脫鉤的一個手段。對很多高水平的基礎(chǔ)研究來說，大科學裝置本身是科學研究越來越必不可少的一種高端復(fù)雜科研設(shè)備。我們要用好大科學裝置支持全球相關(guān)領(lǐng)域科學家合作探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、實現(xiàn)技術(shù)變革，展現(xiàn)中國的大國胸懷，呈現(xiàn)中國更加開放的態(tài)度。目前，各個大科學裝置也在自覺地做，大家都有這個意識。我覺得力度可以再大一點，從國家層面更大力度來推動這個事。


周忠和：我想到中美建交的時候有個 “乒乓外交”。其實科技外交也是一個很不可忽視的一部分。


潘教峰：對，我看是可以，可以團結(jié)更多的國家來中國利用大科學裝置來開展工作。


我們處在重大歷史性突破的前夜


周忠和：前面講到建設(shè)，講到持續(xù)發(fā)展，評估也是必不可少的?，F(xiàn)在有一種趨勢是跟蹤進行全生命周期的評估，不僅從科學，還從社會經(jīng)濟效益上研究大科學裝置的影響。我們現(xiàn)在有沒有在做這方面的工作？


陳和生：中國科學院有著中國最多的大科學裝置，因此它有專門的部門對大科學裝置進行管理和評估，有一套系統(tǒng)辦法直接考核裝置的運行情況、開放情況、科學成果、對用戶的服務(wù)，每年開會進行評估，評出一、二、三級出來。我覺得這個評估制度還是比較成熟的。


（從左至右）李菂、陳和生、周忠和


周忠和：你對現(xiàn)有的評價體系還是比較滿意的？


陳和生：當然還是有好多缺點，比如更看重發(fā)文章，而對為國家高水平科技自立自強做出貢獻的大裝置建設(shè)者，重視度不夠?，F(xiàn)在很多情況要人家投票，投票就是看文章，沒辦法。強調(diào)要把論文寫在祖國大地上，但寫在大地上人家看不見，就看你發(fā)的Nature、Science。這還是評價體制的問題。


李菂：這也有一個實際的情況，因為我也參加專家組。有時候跨學科的評判確實比較困難，所以在戰(zhàn)略層面，您剛才說的全生命周期評價，我覺得還有相當?shù)木嚯x。


周忠和：今天的最后一個問題，未來在大科學裝置的發(fā)展上面，有哪些重點關(guān)注的領(lǐng)域，在發(fā)展過程中我們還應(yīng)該重視哪些問題？


陳和生：重大的大科學裝置對于我國的科技創(chuàng)新體系是非常重要的一個單元，對我們國家在技術(shù)科學前沿研究、科技創(chuàng)新，特別是高水平科技自立自強方面具有重要的意義。


我認為，應(yīng)該根據(jù)經(jīng)濟形勢的發(fā)展進一步加強對大科學裝置的投入，但是投入不等同于造更多的新的設(shè)施。美國會建設(shè)發(fā)展新的高水平設(shè)施，但同時對已有的歷史悠久的設(shè)施一直給予更新改造、補充實驗裝置、支持研究工作出成果。所以我認為我們更重要的是出更多成果，而不是鋪更多攤子。


攤子還是要鋪，有缺陷的地方還是要增加，關(guān)鍵要看對國家高水平科技自立自強的貢獻和牽引力，我覺得這是我們國家現(xiàn)在面臨的最大的問題，也是我們大科學裝置的使命。今后的發(fā)展方向要優(yōu)先考慮國家的戰(zhàn)略需求和高水平科技自立自強。


在基礎(chǔ)科學前沿，要結(jié)合我們的國情，同時發(fā)揮我國的特點。有人老在問，今后物質(zhì)結(jié)構(gòu)或者粒子物理的突破在哪？我認為突破還是那一句話，就是“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處。”我們處在重大歷史性突破的前夜，暗物質(zhì)、暗能量將迎來類似100年前相對論和量子論那樣的一個突破。要考慮我們國家的特點，能夠為新世紀的科學突破做出什么貢獻。


比如粒子物理的實驗，加速器實驗是一個方面。我們必須要根據(jù)國家的國情和綜合因素來決定。同時，空間天文實驗、粒子天體物理這樣的交叉學科，需要結(jié)合中國的特點來發(fā)揮作用，包括中微子實驗，我們已經(jīng)取得很好的成果，所以這是我的一點點看法。


周忠和：好的，李老師您有什么看法？尤其是天文領(lǐng)域，您有什么期盼？


李菂：設(shè)備只是研究手段。還是要看有什么重大的科學問題，有什么技術(shù)上的優(yōu)勢或者成本上的優(yōu)勢，這也是我們作為一線的從業(yè)人員需要考慮的。


周忠和：巡天望遠鏡現(xiàn)在處于一個什么狀況？


李菂：巡天望遠鏡是 “921” 載人航天專項的一部分，肯定比天眼要重要得多。它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量很大，是中國空間天文領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。


周忠和：天文和粒子物理是相關(guān)的。巡天望遠鏡的研制成功，會不會對物理學，比如說暗物質(zhì)、暗能量的研究有所幫助？


李菂：我覺得這是很有可能的。當然天文學和物理學稍微有點區(qū)別，天文學特別善于發(fā)現(xiàn)和提出問題，但很少解決問題。20世紀中期以后，天文學發(fā)現(xiàn)了很多東西，到了21世紀，有七八個諾貝爾物理學獎跟天文學是強相關(guān)的，比如黑洞和系外行星。宇宙的豐富多彩從來沒有讓我們失望過，當你的測量能力有了根本性提高以后，它能夠揭示很多非常奇特的，有時候是帶有本質(zhì)性的現(xiàn)象。


陳和生：暗物質(zhì)、暗能量都是天文觀測提出來的顛覆性的問題。


周忠和：潘院長，最后您來講講我們國家大科學裝置的發(fā)展。


潘教峰：我認為應(yīng)重視這么幾點。第一，要用好現(xiàn)有的大科學裝置，提高大科學裝置的綜合效益，包括剛才討論的如何更好地運營維護大科學裝置，更好地提出科學問題，讓大科學裝置來支撐這些研究，還有如何更好地對外開放共享合作，把大裝置的潛力真正發(fā)揮出來。


第二，要做好大科學裝置發(fā)展的中長期規(guī)劃。陳老師曾經(jīng)在2009年帶領(lǐng)一個專家組做了一個中國面向2050年的大科學裝置發(fā)展路線圖。今天，我國提升了發(fā)展目標，到2050年要成為世界科技創(chuàng)新強國，整個世界的科技發(fā)展也有了重大的變革，這時候我們應(yīng)該以更長遠的眼光來規(guī)劃我們的大科學裝置，應(yīng)該考慮啟動制定一個未來30年到50年的，做到2060年或2070年的大科學裝置發(fā)展規(guī)劃。


第三，我們今天討論的大裝置多集中在天文學、物理學領(lǐng)域。實際上有一些新型大科學裝置在出現(xiàn)，像自然環(huán)境模擬的或者過程模擬和環(huán)境模擬的裝置，這樣的大科學裝置是不是適應(yīng)了環(huán)境科學發(fā)展的要求。生命科學現(xiàn)在發(fā)展到合成生物學這一步，很多研究深入到了生命過程當中非常微觀的層面，也需要極端的條件來支撐。信息科技領(lǐng)域也有這樣的需求。所以，大科學裝置的領(lǐng)域?qū)嶋H上在不斷拓展，我們應(yīng)當根據(jù)不同領(lǐng)域的研究需求來不斷發(fā)展新型大科學裝置。


第四，大科學裝置產(chǎn)生了很多數(shù)據(jù)，天文學領(lǐng)域的大裝置更是產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。過去處理數(shù)據(jù)的手段多為人工，現(xiàn)在由于人工智能AI的出現(xiàn)，我想大科學裝置產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)能不能與人工智能相結(jié)合，會不會產(chǎn)生一種新的研究范式。我們可以觀察到AI對生命科學研究產(chǎn)生了顛覆性的影響，在結(jié)構(gòu)生物學領(lǐng)域，過去生物學家一年能破解幾種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)就很了不起了，DeepMind出現(xiàn)后如今已破解了幾乎人類目前已知的、超過2億種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。


第五，剛才談了很多政策和管理問題，我們要真正把大科學裝置作為國之重器，作為我們國家建成未來科技強國的必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)條件，在管理上政策上還是有很多問題要解決。


周忠和：謝謝潘院長，謝謝陳老師和李老師，今天的討論就到這兒。


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制版編輯 | 姜絲鴨




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