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大科学装置:科技强国之重器

                    栏目:业界动态   发布时间:2019-07-22 16:34:16

反物质是不是真实存在?夸克能不能再被细分?宇宙中究竟还有没有类似地球的宜居星球?人类能不能控制热核聚变?面对大量动植物进入濒危状态,人类能不能设法留住它们?……当人类已经能够将自己送上月球,但仍有许多基础科学理论问题亟须解决。

重大突破,科研仪器先行——从亿万光年之外的宇宙星辰,到组成世界的基本粒子,科学发现与技术创新越来越离不开功能强大的科研仪器,特别是大科学装置,已经成为现代科学技术诸多领域取得突破的必要条件。

作为重大科技基础设施,大科学装置在提高我国自主创新能力方面占据重要地位。早在上个世纪80年代,北京正负电子对撞机的建成就对我国高能物理的发展起到至关重要的作用。近些年,散裂中子源、强磁场装置、同步辐射光源、大型天文望远镜……一项项大科学装置先后被列入相关规划,其中一部分已经建成并投入使用。

这些装置的建设,使我们在科学与技术上大大缩小了与国外的差距,从完全学习,到能够自主研制,并在某些方面能并驾齐驱,甚至一定程度的领先。围绕这些装置,也建成了一些科学与技术中心,发挥了辐射、示范、引领及推动作用,并且成为极为重要的人才培养基地。在大力推动科技创新,建设科技强国的征途中,这些大科学装置成为了“国之重器”。


催生世界一流科研成果


中科院国家空间科学中心研究员吴季曾介绍,100多年来诺贝尔物理学奖的成果,大概1950年以前,只有1项是来自于大科学装置的。到1970年以后,就有超过40%是来自于大科学装置,比如天文望远镜,或者科学卫星、加速器等等。到了1990年以后,这个比例高达48%,就是说在科技强国的竞争中,由政府主导的、有组织的定向基础研究突破当中,所占的比例会越来越高。

从“两弹一星”到“神舟五号”,每一次重大的科学突破,都与我国的大科学工程联系在一起。特别是改革开放后,一大批大科学装置的陆续建成和运行,满足了国内日益增长的科研需求,极大地推动了我国科技研发的进步,并产生了相当一批在国际上领先的科研成果。尤其是党的十八大以来,中国在大科学装置建设上更是持续发力,一份份科研捷报鼓舞人心。

自上世纪90年代以来,中科院高能物理研究所借助北京正负电子对撞机,获得了多项重大成果,居于国际领先水平,成为世界高能物理研究中心之一。同时还“一机两用”,成为我国众多学科的同步辐射大型公共实验平台。

外形犹如一个美丽的螺旋贝壳,坐落在上海张江高科技园区的上海光源,是我国迄今为止最大的大科学工程,同时也是目前世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源之一。作为耗资12亿元、建设历时52个月的大科学装置,上海光源能够提供的高能X射线亮度,达到普通X光机的上亿倍,为中国生命科学、材料科学、环境科学、石油化工等几乎所有现代科学领域对微观世界的研究,提供前所未有的工具。  

2015年7月,作为全球生命科学领域首个综合性大科学装置,总投资7.56亿元的国家蛋白质科学中心(上海)设施通过验收。过去,许多科学家耗费数年才解析一个蛋白质分子结构,如今在中心位于上海光源的蛋白质研究专用线站上,为蛋白质分子拍一张照只需0.1秒,看清一个蛋白质结构,不再以年为计时单位,最短只需2分30秒。这里有国内磁场强度领先的装置,可以为蛋白质复杂三维结构进行核磁“拍照”。先进的集成化电镜分析系统,则可以对蛋白质进行接近原子分辨率的观测,相当于看清一根头发丝直径的几十万分之一。

2016年9月25日,有着“超级天眼”之称的500米口径球面射电望远镜(FAST)在贵州平塘的喀斯特洼坑中落成启用。这座造价6.67亿元人民币的世界上最大口径的射电望远镜仰望苍穹,谛听来自宇宙最深处的声音。今年2月,国家天文台发布消息,FAST望远镜已首先发现距离地球分别为1.6万光年和4100光年的两颗脉冲星,并被国际天文界确认。在河北兴隆,天文学家已经可以在这里使用世界上口径最大的大视场光学望远镜LAMOST巡天,获取在世界上遥遥领先的光谱数据。

在合肥,被称为“人造太阳”的全超导托卡马克核聚变实验装置,在全球首次实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行,创造了新的世界纪录,为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础,将我国磁约束核聚变研究带入世界前沿;而科学岛强磁场科学中心已经具备了产生45万高斯强磁场的技术能力,磁场强度达到地球磁场强度的90万倍。

此外,在云南昆明,生物学家可以在被誉为中国“植物诺亚方舟”的西南野生生物种质资源库,建立保存生物种质资源的科学研究体系,从而为我国经济社会发展提供生物资源战略储备。在广东,散裂中子源首次打靶成功,标志着我国成为继美、英、日之后第4个拥有散裂中子源的国家……

截至去年底,我国在建和投入运行的重大科技基础设施总量已接近50个,总体水平基本进入国际先进行列。FAST将在未来20年保持世界领先地位,并在建设过程中产生了超过30项自主创新专利成果。这些大科学装置为载人航天、探月工程、新药创制、大型客机研制、核心电子器件研制、高分辨率对地观测等国家重大科技任务提供支撑,取得了四夸克粒子(由4个夸克组成的新粒子)物质发现、重大流行病跨种传播机制等一批原创科技成果。催生出了重离子治疗癌症、低温超导材料规模化制备等一批高新技术,在保障国计民生和国家安全中发挥着不可替代的作用。


带动国家工业制造水平提高


在中科院院士、高能物理研究所所长王贻芳看来,大科学装置的建设过程不同于简单的房屋建造,建设本身就是一个科研的过程,能考验和提高一个国家的工业制造能力。王贻芳认为,对于大科学装置,“首先要在科学上有意义,其次还要在技术上能够实现。”

随着我国国力的不断增强,在大科学装置上的投入今非昔比。如在广东东莞的中国散裂中子源项目,总投资达20多亿元。但建设大科学装置,并不只是钱的事。“技术的边界并不好把握”,王贻芳说,标准低了,缺少突破性。采用的技术激进一些,就存在失败的可能。“因此,大科学装置在立项前,必须经过非常专业的论证和判断,最终的成败也与项目负责人的经验和能力有很大关系。”

大科学装置,往往瞄准国际最先进水平、对制造工艺也有着极严苛的要求,对企业是一个十分难得的提高技术水平的契机。中科院院士、LAMOST项目首席科学家崔向群就表示,LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,又称郭守敬天文望远镜)的建设过程,就得益于我国国力的增强和工业基础的提升。国内的一些特殊材料生产企业、造船厂、轴承生产企业、玻璃生产企业等都在其中做出了贡献。

大科学装置建设中取得的新技术成果也被广泛应用在其他重大工程中,比如中国互联网的诞生是北京正负电子对撞机的“副产品”,而它的建造和之后的每一次升级改造,都促进了相关企业的技术提升。而为FAST研发的抗疲劳索网技术及索网工程管理,应用在了港珠澳大桥的建设中。

中科院上海应用物理研究所所长赵振堂认为,大科学装置的建设过程中,不但锻炼了科研队伍、研发出很多关键设备,还培育起了很多能够生产这些设备的高技术企业。据介绍,自由电子激光设备招标时,很多分布于长三角的企业都来投标,关键设备绝大多数实现了国产。其中,波荡器、直线加速器等主要设备还实现了对外出口。


参与国际合作与竞争的利器


大科学装置的建设,也直接带动了科技人才的汇集。在上海,科创中心建设活力迸发,人才集聚效应显现,正在不断吸引活跃在世界前沿领域的顶尖科学家加盟,同时历练一批属于中国自己的顶级科学家。紧邻大科学装置,上海科技大学的专任教师队伍中,已集聚起包括多位诺贝尔奖获得者、美国国家科学院院士、英国皇家学会院士等在内的一批顶尖海外人才。  

在不少科学家看来,大科学装置更是一个开放的平台,可以让我们在国际合作与竞争中更具话语权,是参与国际前沿科技竞争的利器。

2007年,大亚湾反应堆中微子实验在我国启动,它不仅成为具有重要国际影响力的大型基础科学研究项目,也是中美两国历史上最大的合作项目之一。

崔向群说,从2011年9月到2015年6月,经过3年巡天,LAMOST共观测了2669个天区,已对外释放了约570万条光谱数据,其中成功获取高质量恒星光谱462万个,比世界上所有已知光谱巡天项目获取的数据总数还要多。这些别国没有的数据,让我们占据了学术的高地,可以通过国际合作来弥补我们在光谱处理等技术上的短板。

通过上海光源项目,中科院上海应用物理所与英国、日本、法国、德国等国家的同步辐射光源及其研究机构建立了全面的合作与交流关系,并与美国五大实验室保持着密切的人员交流与技术合作。

这样的例子不胜枚举。透过这些扎根中国的大科学装置,国际合作的含义早已超越了“凑份子”的阶段。中外科研人员互访、合作开展科研项目、联合培养研究生等越来越丰富的手段,让中国在科技全球化的浪潮中,逐渐成长为一个融合与开放的枢纽。

(信息来源:新民周刊/刘朝晖)