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“国之重器”高速前行
日期:2017年04月05日      经济日报

    散裂中子源、强磁场装置、同步辐射光源、大型天文望远镜……近年来,一项项神秘的大科学装置陆续建成并投入使用,它们或隐世于高山峡谷,或藏身在喧嚣城市的地下,虽然不被世人所熟悉,却自带耀眼的光环。它们作为重大科技基础设施,伴随着一项项大科学计划,缔造着中国乃至世界科学的未来。

    这些大科学装置何以成为“国之重器”?它们究竟发挥着怎样的作用?又将承载什么样的使命?

    大科学装置发展进入快车道

    在国家蛋白质科学研究(上海)设施运行之前,中国科学家想要完成蛋白质结构的解析,只能去日本、美国。而现在,一批又一批跨国企业和国外优秀科学家纷纷来到中国,使用国家蛋白质科学研究(上海)设施的设备和服务开展前沿课题研究,一系列诞生于此的重要成果发表在Nature、PNAS等高水平国际学术刊物上。

    国家蛋白质科学研究(上海)设施何以有如此吸引力?这项大科学装置集中了我国自主研发的规模化蛋白质制备系统,实现了蛋白质制备全流程的高度集成和流水线作业,而且在样品处理通量上超过半自动化系统10倍、超过传统的人工系统100倍,居于国际领先水平。因此,它很快就成为国际上有重要影响的大型综合研究创新基地,也是我国科学家探索生命奥秘的利器。

    作为当今全球生命科学领域首个综合性的大科学装置,国家蛋白质科学研究(上海)设施能够满足80%以上研究用户的需要。在开放试运行的第二年底,就已经执行用户课题800多个,服务150多家单位,各系统累计运行95000多小时。

    从无到有、从小到大、从学习跟踪到自主创新,这些年,我国一大批大科学装置横空出世,惊艳世界。中国“天眼”FAST,500米口径球面射电望远镜,将覆盖30个足球场大小的信号,聚集在药片大小的空间里,实现了新的突破;中国西南野生生物种质资源库,主要收集和保存云南及周边地区和青藏高原的种质资源,与世界其他著名的种子库相比,是唯一建立在“生物多样性热点地区”的种质资源库;上海同步辐射光源,是世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源之一……

    这些各领风骚的大科学装置不但覆盖面越来越广,包括时间标准发布、遥感、粒子物理与核物理、天文、同步辐射、地质、海洋、能源和国家安全等众多领域,而且近年来装置设施的数量、建造规模也逐步扩大。中科院高能物理研究所北京正负电子对撞机国家实验室主任陈和生表示,我国的大科学装置发展已经进入快车道,取得了很多重大科学成果,有些已经处于国际领先地位。

    这批“国之重器”为研究物质结构提供了最先进的技术手段,支撑着国内外科学家开展物质基本结构、宇宙起源与演化、生命起源等重大科学问题的探索,在世界科学研究的舞台上熠熠生辉。

    “神兵利器”带来累累硕果

    对于大科学装置,建好仅仅是开始,用好才是关键。大科学装置陆续投入使用,满足了国内日益增长的科研需求。

    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,成为世界领先的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。

    上海光源一期虽然只有7条光束线站,但是自2009年建成后需求极大,去年已有近400家单位、1万多人成为用户,线站供不应求,取得了众多有价值、有影响力的科研成果。从地域分布上看,上海光源的用户几乎覆盖我国所有省区市,还有10多个国家和地区的科研人员以合作形式来到这里,开展研究工作。

    有这些“神兵利器”加持,我国的科研水平迅速提升,取得的成果日益丰富。

    世界最大单口径、最灵敏的500米口径球面射电望远镜(FAST)落成启用,大幅提升我国深空测控能力。上海超强超短激光实验装置达到国际最高激光脉冲峰值功率,合肥稳态强磁场装置实现了40万高斯稳态强磁场,全超导托卡马克装置(EAST)创造聚变等离子体稳态高约束模大于60秒的世界纪录,大亚湾中微子实验发现了新的中微子振荡并精确测量其振荡几率。

    除了大科学装置结出的累累硕果外,反观大科学装置的存在本身,已经远远超出一件新“神器”的意义。因为它们本身就集成了许多科学前沿领域的重大原创突破,凝聚了各个方面的创新驱动力,培育了一批科研后备力量。它们更多在发挥着“科技航母”的关键作用,直接促进了大批原始创新成果、核心关键技术的产生。

    当承建单位研发出符合FAST要求的新钢索时,申请了12项专利;上海光源不仅推动生命科学、材料科学、环境科学等多学科领域科技创新,还对现代高性能加速器、高精密机械加工、X射线光学等先进技术和相关产业升级起到了重要作用;不少过去参与北京正负电子对撞机建造的厂家现在已经成长为领军企业,他们都谈到,当年对撞机的建造对于企业自身生产工艺带来很大提升。

    每建设一项大科学装置,对我国工业基础就是一次严峻的考验。在高标准的技术要求筛选下,大科学工程建设培养和汇聚了一批国内最牛的施工单位和高技术企业,它们边“追赶”边“补课”,创造了一个又一个“中国制造”的奇迹。

    面向未来抢占科技制高点

    从2011年9月到2015年6月,经过3年多巡天,LAMOST共观测了2669个天区,对外释放了约570万条光谱数据,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,让我国占据了学术的高地。

    当LAMOST在探望苍穹之时,一艘名叫“科学”号的海洋科学综合考察船桅杆高立,威武浩荡地驶向大海。目前,借助“科学”号,科学家已经成功开展了西太平洋冲绳海槽热液、南海冷泉、主流系、马努斯海盆和雅浦海山等航次综合调查,获得了大量珍贵的海洋资料。

    不同领域的先进科技装备使我国走向自主创新高地,抢占科学前沿阵地。这些集“颜值”与“实力”于一体的大科学装置,代表着各种大型复杂科学的研究系统,为科学家探索未知世界、发现自然规律及实现技术变革提供极限研究手段,也是经济社会发展不可或缺的技术基础设施。它们推动了我国粒子物理、核物理、生命科学等领域的科研水平进入国际先进行列。通过发挥大科学装置的最大能量,让我国在国际合作与竞争中更具话语权,更好地参与国际前沿科技的竞争。

    如何帮助人们远离越来越频繁发生的灾难?在煤炭、石油等资源枯竭后,人类将依靠什么能源继续生存下去?怎样保持这颗美丽星球的生物多样性?这一系列未知的难题,大科学装置正在一一破解。

    EAST,是我国自行设计建设的世界首个“全超导托卡马克”核聚变实验装置,被誉为“人造太阳”。据中科院合肥分院等离子物理研究所助理研究员鄢容介绍,依靠环形磁场作为“容器”,聚变原料实现可控的核聚变反应,获得大量能量,进而得到清洁能源。“核聚变的原料从海水中提取,非常安全,一升海水可以提取33克原料,相当于300升石油释放的能量。海水里的核聚变原料非常丰富,可以供人类使用上亿年。”鄢容说。

    不仅未来可期,当前人类已经在大科学装置的建设中受益。如今,一种新的治疗癌症的方法诞生,它利用高速的重离子束对病变组织进行治疗。重离子治疗癌症是当代世界上公认的先进有效的放疗方法,与传统的放射治疗相比,重离子束对健康组织辐射损伤轻、疗程短、治愈率高。而重离子治疗技术的开展,正是依托于一个属于“大科学装置”的机器——重离子加速器。

    这批重大科技基础设施,不光是高高在上的科研利器,它还解决了一批关乎国计民生和国家安全的重大科技问题,在载人航天、资源勘探、防灾减灾等方面也发挥着不可替代的作用。可以说,大科学装置正在加速改变我们的现在和未来。