發展大科學設施，建設科技強國

王貽芳

在海拔4410米的海子山上，世界上海拔最高、規模最大、靈敏度最好的超高能伽馬射線探測裝置“拉索”，搜尋着看不見、摸不着的宇宙線；

在重巒疊嶂的喀斯特羣山之間，500米口徑球面射電望遠鏡“中國天眼”，仰望蒼穹、遠眺寰宇，將人類“視界”延伸到百億光年之外；

在地下700米深處，江門中微子實驗在建的能量精度、規模均世界領先的液體閃爍體探測器，可以將微弱的電信號放大1000萬倍，捕捉有“宇宙幽靈”之稱的中微子……

新時代以來，我國重大科技基礎設施建設迎來快速發展期，一批大科學設施建成運營，撬動關鍵技術突破，重大成果不斷涌現，培育了新興產業集羣，爲科技強國建設和經濟社會高質量發展提供了堅實支撐。

“世界已經進入大科學時代，基礎研究組織化程度越來越高，制度保障和政策引導對基礎研究產出的影響越來越大。”習近平總書記非常關心我國大科學計劃、大科學工程、大科學中心的建設與發展，考察北京正負電子對撞機，強調真正把創新驅動發展戰略落到實處；致信祝賀“中國天眼”落成啓用，殷切寄語參研隊伍高水平管理和運行好這一重大科學基礎設施，早出成果、多出成果，出好成果、出大成果；在上海張江科學城參觀大科學設施等展區，強調把科技創新擺到更加重要位置；參觀國家“十三五”科技創新成就展時，仔細觀看散裂中子源、“慧眼”衛星等科學裝置的相關實物和模型，希望廣大科技工作者堅定創新自信，緊抓創新機遇，勇攀科技高峰，破解發展難題……在中央委員會全體會議、中央政治局集體學習、中央人才工作會議等重要會議、重要場合，總書記多次強調推動大科學計劃、工程和中心建設，爲人才提供國際一流的創新平臺。總書記的關心和指導，爲我國大科學設施的進一步建設與發展指明瞭方向。

一、大科學設施是科研利器

什麼是大科學設施？簡單地說，大科學設施是爲進行大規模科學研究而建造的大型設施，不僅包括大型實驗設備裝置本身，還包括支持相關科學研究的支撐體系。其重要特點之一，即知識創新、科學成果產出豐碩，技術溢出、人才集聚效應顯著，通常被認爲是國家創新高地的核心要素。

爲什麼要發展大科學設施？隨着科技的發展，人們通過規模越來越大的科學裝置拓展感知能力，遠觀越來越大、越來越遠的空間和宇宙，近察越來越小的物質結構和基本粒子，不斷刷新原來“大”、“小”的定義。這已成爲科學研究和人類文明拓展的趨勢和方向。大科學設施的主要目標，就是爲人類更好探索未知世界、發現自然規律、提升研發能力、實現科技變革提供物質和系統支持。

與其他設施不同，大科學設施具有鮮明的工程和科研雙重屬性。它不同於一般的基礎設施工程，其設計、研製、建造涉及大量複雜技術和工藝，具有綜合性、複雜性、先進性，甚至可能具有唯一性。它也不同於基於通用設備的科研儀器中心或者平臺，不僅體量大、投資大、週期長，還需要自行設計研製專用設備，通常需要國家統籌規劃、佈局和建設，通盤協調運行。

大科學設施既是國家基礎設施的重要組成部分，也是國家創新體系中具有強大研發能力的大型科研基地，已成爲推動科技創新、加快實現高水平科技自立自強的利器。大科學設施建設與運行的高標準技術需求，使其往往成爲國家科技實力、經濟實力和軟實力的重要標誌之一。

大科學設施依託高水平創新主體建設，面向社會開放共享並提供長期運行服務。按照不同用途，一般分爲以下幾類。

一是專用基礎設施，即爲基礎科學領域的重大科學目標而建設的研究裝置，如北京正負電子對撞機、全超導託卡馬克核聚變實驗裝置“人造太陽”、高海拔宇宙線觀測站“拉索”、500米口徑球面射電望遠鏡“中國天眼”等。這類設施科學目標明確具體，研究內容、用戶羣體比較特定、集中。

二是公益基礎設施，如我國最早的科技基礎設施之一——長短波授時系統，以及後來建成的中國遙感衛星地面站、中國西南野生生物種質資源庫等，主要爲經濟建設、社會發展、國家安全提供基礎數據和信息服務。

三是公共實驗平臺，主要爲多學科領域的基礎研究、應用研究提供支撐性平臺，例如上海光源、中國散裂中子源、強磁場實驗裝置等。這類裝置爲多個領域的不特定用戶提供實驗平臺和測試手段，同時面向物理、材料、環境、地質、生物、製藥、裝備製造等領域的基礎科學前沿和產業應用，滿足特定領域研發需求。

四是專用技術平臺，主要爲某個特定領域、關鍵技術提供測試和技術研發、驗證平臺，以及提供專業數據、研究手段和技術服務，如燃氣輪機試驗裝置、雲平臺技術測試等。近年來，爲滿足國家經濟社會發展和行業技術革新等需求，這類新科技基礎設施逐漸成爲大科學設施的重要類型。

這4類大科學設施面向世界科技前沿、經濟主戰場、國家重大需求和人民生命健康等需要，各有側重、各有所長。

二、國內外大科學設施發展概況

新一輪科技革命會由哪些領域引領？再一次基礎科學重大突破會在哪一時刻來到？一個世紀以來，科學家們對這些問題有不同的關注和考量，但共識之一，是認爲無論未來通往何方，要成功打開一扇扇科技之門，向科技的更廣維度和更深層次進軍，需要在已有的科學體系基礎上，開發更高能量、更大密度、更高強度的極限研究條件，建設功能強大的科學設施。

20世紀三四十年代，世界各科技強國開始重視並着手建設重大科技基礎設施。例如，美國在高能物理、天文、能源、生態環境、信息科技等領域佈局一批性能領先的大科學設施，包括先進光子源(APS)、激光干涉引力波天文臺(LIGO)、韋伯太空望遠鏡(JWST)、深地中微子實驗(DUNE，建設中)等。這些大科學設施催生了發現引力波等一系列重大科學成果和相關核心技術。英、德、法等國家在能源、材料、生命健康、資源環境等多個領域，佈局建設數量衆多的科學研究設施。爲整合資源，提高整體競爭力，歐盟國家聯合建設一批國際領先的大科學設施，如歐洲同步輻射裝置(ESRF)、大型強子對撞機(LHC)、歐洲X射線自由電子激光、歐洲散裂中子源(ESS，建設中)等。這些設施讓歐洲在相關領域保持了科技領先優勢。

1956年12月，我國頒佈第一個長期科技發展規劃——《1956—1967年科學技術發展遠景規劃》。在這一規劃指導下，圍繞“兩彈一星”的研製，我國佈局建設一些科學研究設施，如點火中子源、實驗性重水反應堆、材料試驗反應堆、小型加速器等。這些是我國重大科技基礎設施的雛形。20世紀60年代，我國部署並啓動高能加速器、短波授時、2.16米口徑光學天文望遠鏡等基礎研究設施的預先研究工作。1983年，北京正負電子對撞機建設得到批准並被列爲國家重點工程項目。翌年，鄧小平同志專程到中國科學院高能物理研究所爲工程奠基，並剷下第一鍬土。在接下來的幾年中，成千上萬的科研人員、幹部羣衆艱苦奮鬥、共同努力，克服物質條件和技術基礎等方面的多重困難，完成工程建設。在對撞機建設過程中，爲了提供相應技術和產品支持，我國在真空、微波、電磁鐵、大功率高穩定度電源等方面的技術水平都大幅提高。此後，北京正負電子對撞機經歷幾次升級改造，取得許多突出成績。

隨着我國經濟社會快速發展，中國遙感衛星地面站、北京串列加速器核物理國家實驗室、合肥同步輻射裝置、“東方紅2號”海洋綜合調查船、郭守敬望遠鏡、全超導託卡馬克核聚變實驗裝置等建成運行，我國大科學設施建設開始向多學科領域擴展，建設和開放共享水平不斷提升，科研和應用產出能力持續提高。

新時代以來，以習近平同志爲核心的黨中央前瞻謀劃、系統部署重大科技基礎設施建設，領導實施《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃(2012—2030年)》，幾十個國家重大科技基礎設施先後納入規劃並啓動建設。500米口徑球面射電望遠鏡、高海拔宇宙線觀測站、高效低碳燃氣輪機試驗裝置等落地建成，我國大科學設施的數量和質量都有新的躍升，覆蓋領域不斷拓展，技術水平明顯提升，運行管理體系不斷完善，綜合效益日益顯現。

目前，我國佈局建設、在建和運行的重大科技基礎設施項目總量超70個，數量上已處於世界領先梯隊，技術上也逐漸實現部分領跑，比如，北京高能同步輻射光源、高海拔宇宙線觀測站、500米口徑球面射電望遠鏡等，均達到國際先進水平。

三、我國大科學設施運行成效顯著

在黨中央科學決策和大力推進下，經過科研人員和建設隊伍的不懈奮鬥，我國大科學設施建設和運行實現了從跟跑到並跑和部分領域領跑的飛躍，對促進我國科學技術事業發展起到重要支撐作用，爲解決國家發展中遇到的關鍵瓶頸問題作出重要貢獻，技術溢出顯著促進了經濟社會發展，依託大科學設施逐步形成一批在國際上有重要影響的國家科技創新中心和人才高地。一個個大科學設施，成爲一片片孕育創新、科技、人才和活力的沃土，結出一顆顆豐碩飽滿的果實。

產出原創性引領性科學成果。大科學設施的運行，爲粒子物理、凝聚態物理、天文、空間科學、材料與納米科學、生命科學等領域基礎研究和應用研究提供了重要平臺，推動部分前沿方向迅速進入國際先進行列，一些成果在國際上產生重大影響。例如，快速射電暴是目前人類已知的宇宙中最明亮的射電爆發現象，在1毫秒的時間內釋放出太陽大約一整年才能輻射出的能量。當探測到來自宇宙深處的快速射電暴時，人們會依次接收到從高頻到低頻的脈衝信號，彷彿聆聽一段優美的“宇宙琶音”。快速射電暴起源是當今天體物理領域最前沿的科學問題之一。我國科學家利用“慧眼”衛星爲快速射電暴對應的X射線天體研究提供了關鍵數據，利用“中國天眼”第一次捕捉到快速射電暴多樣化的偏振信息。未來，大量可定位的快速射電暴探測所得到的相關數據，有望成爲基礎物理與宇宙學研究的重要突破口。又如，我國有“人造太陽”之稱的全超導託卡馬克核聚變實驗裝置匯聚“超高溫”、“超低溫”、“超高真空”、“超強磁場”、“超大電流”等尖端技術於一體，擁有專利近2000項。2025年1月20日，全超導託卡馬克核聚變實驗裝置首次完成1億攝氏度1066秒“高質量燃燒”，創造新世界紀錄，攀上新的科學高峰。這些大科學設施產出的科學成果，在相關研究領域處於世界前沿水平，對科學研究、科技發展作出原創性、引領性貢獻。

推動解決戰略性科技問題。大科學設施爲加快重要領域技術攻關、在戰略性領域取得更多更大突破創造條件，解決了一些重點領域、關鍵核心技術“卡脖子”問題，引領帶動相關產業發展。比如，航空發動機核心部件葉片的服役壽命，是我國航空獨立自主發展必須突破的問題。過去，我們一直受困於缺乏合適的葉片檢測手段。通過中國散裂中子源，科研人員首次獲得多種型號發動機的不同型材葉片在不同工藝、不同服役狀況下的內部應力數據，突破國內深層高精度應力測試與評價的技術瓶頸，支撐我國航空業解決國產葉片的材料設計、製備和加工工藝難題。

促進高技術發展。大科學設施的技術溢出效應催生一批新技術、新產品，爲國民經濟和社會發展提供科技支撐。比如，自主生產光子探測器的核心器件——光電倍增管，在十幾年前還只是一個大膽的夢想。江門中微子實驗的建設，推動實現高探測效率的光電倍增管國產化，產品綜合性能達到世界一流水平，打破了國際壟斷，推動我國真空光電器件步入國際先進行列。又如，針對當今社會威脅人類生命健康的疾病，中國科學院近代物理研究所成功建設蘭州重離子研究裝置並開展醫用重離子治癌臨牀治療，中國科學院高能物理研究所依託中國散裂中子源開展硼中子俘獲治癌研究，這些研究和實踐推動我國大型醫療設備研製和應用取得重大突破，爲抗擊癌症、守護人民健康提供科技力量。

助推建設創新高地。大科學設施對北京、上海、粵港澳大灣區等科技創新中心的建設起到巨大推動作用，顯著提升這些創新高地的科技實力和創新能力。同時，大科學設施間接優化所在區域的人才環境，提高了當地對高科技人才和相關企業的吸引力，促進地方經濟社會發展。比如，中國散裂中子源落戶廣東東莞後，迅速集聚並培養了一批懂科學、懂技術、懂工程、懂管理的科技人才及大批青年學生，在東莞和粵港澳大灣區的產業轉型升級、經濟社會發展中起到重要推動作用。

四、積極推動我國大科學設施建設發展

大科學設施在我國實現高水平科技自立自強、帶動製造業轉型升級、推動經濟高質量發展之路上發揮的積極作用，令人鼓舞。同時，也要清醒認識到，我們仍然缺乏世界領先的“旗艦”型大科學設施，獨創獨有的大科學設施不多，有的設施關鍵技術的源頭主要來自國外，有的設施性能指標離世界先進水平還有差距。此外，我國大科學設施的類型和領域佈局不盡合理，有的項目重複建設，對一些項目是不是符合科學規律和用戶需求考慮不足，可能導致同質且低水平的無序發展、人才的無序競爭和資源的浪費等。

錨定2035年建成科技強國目標，大科學設施的發展要有志於在重要科學方向醞釀歷史性的重大發現，搶佔前沿領域的制高點；要能切實滿足發展需求，破解創新鏈條堵點，解決關鍵科學與技術問題。我國現有大科學設施數量已經與美國等發達國家相當，接下來發展的重點，應從填補國內空白的“增加數量類”向引領國際的“提高質量類”轉變。

加強頂層設計，建立分類遴選機制。建設新的大科學設施應全國一盤棋，整體佈局上制定總體目標和各自定位，才能更好發揮集中力量辦大事的制度優勢，做好發展戰略選擇和優勢學科佈局。堅決避免“撒胡椒麪”般一哄而上、重複投資。規劃佈局應與國家實驗室、地方實驗室、國際科技創新中心、區域科技創新中心等協同聯動，提升整體效能。根據不同設施類型採取不同遴選方式，確保設施建設符合學科發展規律和國家現實需求。

開展預先研究，優化管理制度。預先研究包括前瞻性的原理探索、概念設計和關鍵部件研製。關鍵技術預先研究的前瞻佈局夠不夠，是影響引領型、獨創獨有型設施發展的重要因素之一。但預先研究有時難以預設明確的“交賬”目標，不易獲得各方面支持。這就需要調整科研管理體制，加強對預先研究性工作的支持，完善不同類型預先研究的投入機制。同時，大科學設施的設計和建造具有鮮明的工程和科研雙重性，不能單純按照基建工程管理，而要充分考慮其科研屬性，制定適應設施特點與發展規律的建設管理制度。此外，考慮大科學設施在產出論文、成果上的特點，需優化項目與人才的一體化資源配置方式。進一步加強資源統籌，構建以穩定支持爲主、自由競爭爲輔、多元投入爲補充的建設和運行體系，建立健全覆蓋大科學設施“全生命週期”的建設、運行、退役管理體系。

加強高水平國際合作，發起國際大科學計劃。重大科技基礎設施一直是國際科技合作的重點，很多大科學設施本身就是國際大科學計劃和大科學工程的產物。應堅持開放合作，努力拓展合作範圍、方式和渠道，在項目遴選、評估、設計、建設和運行上有更多國際參與。同時，積極參加國外項目，廣交朋友，培養國際型研究人才，擴大設施影響，爭取國際支持，積極發起實施國際大科學計劃和大科學工程。

作者：中國科學院院士、高能物理研究所研究員

來源：《求是》2025/05