大科学时代的大科学装置如何建？
中国新闻周刊记者：杨智杰
发于2023.5.1总第1090期《中国新闻周刊》杂志
今年3月，全国人大代表、中科院高能物理研究所所长王贻芳接受采访时透露，国际高能物理学界高度关注的环形正负电子对撞机(CEPC)又有新进展。王贻芳称，“我们已经基本完成了CEPC的《技术设计报告》，今年将进行国际评审。”
CEPC即备受热议的中国大对撞机，耗资400亿元人民币，如果立项，这将是中国基础研究领域投资最大的项目。
科幻小说《三体》中，为了锁死人类的基础研究，三体人向地球发送了两个智子，它们潜伏在类似大对撞机这样的高能粒子加速器中，造成混乱或错误结果。三体人认为，如果没有对物质深层结构的探索，科学技术将难有重大突破。
如今，科学前沿的革命性突破，正越来越依赖重大科技基础设施，即大科学装置。大科学装置可创造更高能量、更大密度，或更高强度的极限研究条件。中科院院士、中科院原院长白春礼曾形容，“如果未来科技是一个充满无限可能的魔盒，那大科学装置是开启它的钥匙”。
今年2月，中共中央政治局就加强基础研究进行第三次集体学习，中共中央总书记习近平提到，“世界已进入大科学时代，基础研究组织化程度越来越高”“要科学规划布局前瞻引领型、战略导向型、应用支撑型重大科技基础设施”。
面向前沿的大科学装置“绝不能丢下”
快速射电暴(FBR)，是一种来自银河系外的神秘射电天文现象，能在千分之一秒内，释放相当于一整年的太阳能，但其物理起源至今无人知晓。2019年，中科院国家天文台研究员李菂团队在处理“中国天眼”射电望远镜(FAST)的观测数据时，发现其探测到一例持续活跃的射电暴，并将其命名为FRB 20190520B。
之后，合作团队通过组织多台国际设备协同观测，进一步揭示了这个快速射电暴周边的复杂环境特征。2022年6月，研究成果刊发在《自然》杂志上。全球首位发现FBR的美国天体物理学家邓肯·洛里默评价，依据该发现，能推测快速射电暴有多种类型，并预测“未来几年内，人类能够拨开快速射电暴神秘的面纱”。今年3月，这一成果入选科技部“2022年度中国科学十大进展”。
FAST首席科学家李菂向《中国新闻周刊》表示，FAST出成果的速度超出自己的预期。FAST看上去是一个相当于30个足球场面积的“大锅”，坐落于贵州省平塘县，2016年落成，2020年通过验收后正式开放。快速射电暴领域是一个“年轻”的研究领域。李菂曾介绍，FAST建成前，《自然》和《科学》杂志上，中国发表的快速射电暴论文数量为0，到了2022年，利用FAST，中国科学家在两刊发表快速射电暴相关论文占到当年总量的60%。毫无疑问，大科学装置为开展前沿性基础研究提供了重要支撑。
1962年，美国耶鲁大学科学史教授普莱斯提出著名的“小科学，大科学”论断。他认为，二战之前的科学都是小科学，以美国“曼哈顿计划”的实施为标志，世界进入大科学时代。科学研究越来越复杂，需要更极致的实验环境以及更大的团队。因此科学的进步，开始仰仗国家政府支持的、昂贵且复杂的实验装置或计划，比如阿波罗计划、哈勃望远镜、大型强子对撞机等。在此之后，美国、苏联、欧洲、日本等开始将大科学装置视为科技发展的核心竞争力。中科院近代物理研究所研究员杨建成曾统计，上世纪70年代以后，约40%诺贝尔物理奖都用到了大科学装置。
大科学装置大致分为两类，一种是专用大科学装置，专门用于粒子物理、核物理、聚变物理、天文学等领域，用以开展好奇心驱动的前沿探索性研究，实现“从0到1”的重大突破。国内此类装置包括北京正负电子对撞机、FAST等，这一类大科学装置的建设者往往就是使用者。另一种是平台型大科学装置，以需求和应用为主要导向，同时可用于纯粹的基础研究，服务于多学科。比如上海同步辐射光源装置(即上海光源)，为生物医药、能源、材料等领域提供研发平台。
2022年9月，国家发改委高技术司副司长张志华介绍，中国目前布局建设了77个国家重大科技基础设施，其中32个在运行。
2022年11月，中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员陈和生曾表示，国内能支撑国际前沿基础科学研究、特别是高水平自立自强的大科学装置，与国际相比仍有一定差距。李菂也提到，在天文领域，需要更多像“中国天眼”这样的大科学装置，“我们才能进入到国际一流的俱乐部中和高手一起玩”。
但多位受访的学者向《中国新闻周刊》指出，“十四五”规划和2035年远景目标纲要中提出建设的20多个大科学装置中，除了高海拔宇宙线观测站等几个项目是专用大科学装置外，多数是以应用和需求为导向的平台型装置。
大科学装置投资动辄数亿乃至数十亿元。国家发改委牵头科技部等多部门，每五年调整和发布一次重大科技基础设施规划。中国科学院条件保障与财务局原局长郑晓年曾负责中科院大科学装置的管理。他告诉《中国新闻周刊》，选择建设大科学装置，最核心的评估要素是能否有重大的科学产出，但也要考虑目前中国的国力能否负担得起。此外，不同类型装置都要兼顾，“但无论哪种类型设施，都要‘有用’，能解决国家实际问题，或解决重大科学问题”。
深圳综合粒子设施研究院院长、深圳产业光源总负责人孙冬柏，是国家重大科技基础设施建设中长期规划总体专家组副组长。他认为，当下，中国的确要更多投入平台型大科学装置，这不是否认面向前沿基础研究的专用大科学装置的重要性，而是面对复杂的国际形势，需要通过平台型大科学装置，解决经济、社会发展中的实际问题，比如芯片等领域的“卡脖子”难题。
中国科学院科技战略咨询研究院研究员、中国科学院创新发展研究中心主任穆荣平曾参与起草国家重大科技基础设施“十二五”规划，他告诉《中国新闻周刊》，“十四五”规划中，应用导向的大科学装置数量更多，是由中国目前的国情决定，需要解决现实需求。
仅看科学价值、技术先进性，不足以证明大科学装置高额投资的合理性。中科院樊潇潇等人系统研究了德国、澳大利亚等国的大科学装置规划方案。相关论文提到，德国目前有80多个运行、在建、规划的设施，多个项目全球领先。德国政府制定科技基础设施路线图时，最重要的环节是科学维度评估，会组织国际专家组，从科学意义、应用、可行性，及与德国科研地位的关系四个指标，进行两次评价。
评估时，每个项目都有3个该领域的国际评审专家，他们会考虑项目对开发创新领域或现有领域的重要科学意义，应用时能服务多少用户、如何共享、能产出多少论文等，可行性方面，会考量负责机构的技术、人员和资质水平。除此之外，项目的开发成本、对社会经济的短期与长期影响、是否解决国家重要需求以及培养下一代研究人员等也是综合考虑因素。
平台型大科学装置服务的用户更多，技术溢出效应更强。上海光源是中国当前用户最多的大科学装置。2010年以来，中科院院士高福团队曾利用上海光源线站分析，揭示了禽流感、埃博拉等流行病毒的感染机制。此外，基于上海光源的实验数据，罗氏、辉瑞等知名药企进行了新药研发。新冠疫情暴发后，科研人员依托同步辐射光源得到蛋白酶结构的解析，为抗病毒药物研制提供了必要基础数据。相比之下，专用大科学装置往往探索的是高而远的“无用”研究，出大成果也有很强的不确定性。
但中科院高能物理所研究员张新民对《中国新闻周刊》，当下强调应用导向和平台型大科学装置的同时，面向前沿探索的大科学装置“绝不能丢下”。从长远来看，未来中国的平台型大科学装置想要发展更好，同时需要专用大科学装置在基础研究领域有重大突破，才能在技术上实现从跟跑到领跑。
业内的共识是，专用大科学装置想要出大成果、好成果，在性能指标上要有独特性或世界领先。以FAST为例，李菂对《中国新闻周刊》说，世界上专用大科学装置很少出现刚开放使用，就系统性产出大成果的情况，FAST开放使用3年后，目前已进入到系统性“出好成果、出大成果”的发展阶段。“FAST大科学装置设计的出发点很重要。设计者南仁东先生在提出这一方案时就立足于建设世界上单口直径最大的射电望远镜。”李菂解释说。
李菂认为，设备只是研究手段，想出好成果，一线科研人员还要思考，如何提出有创新性的科学问题，同时，还需要依靠一些运气。李菂坦言，FAST建成后，正赶上快速射电暴学术领域的活跃发展期，同期，作为世界上灵敏度最高的射电望远镜之一的美国阿雷西博望远镜的坍塌，使FAST失去了一个强劲的对手，进一步推动“中国天眼”站在了世界天文领域的舞台。
“有光则灵”？
过去三四年，一些地方政府主动找到中科院院士、中科院高能物理所所长王贻芳，希望高能所在当地建设光源类大科学装置。“一些地方觉得光源是个好东西，但他们没有建设和运行团队，以为跟盖房子一样。”王贻芳说。最终他婉拒了这些请求。
光，是认识物质和生命最基本的工具。同步辐射光源、自由电子激光、散裂中子源等作为先进光源，是科学家认知微观世界、探索物质结构的“高清照相机”，是科研的有力支撑平台。以同步辐射光源为例，研究者通过相关技术，在高温、高压、腐蚀性等各类环境中，探测样品的表面和内部结构细节，比常规X射线光更准确和高效。
2021年，大连海事大学公共管理与人文艺术学院副教授黄振羽等人在《地方政府为何青睐大科学装置？》一文中提到，2018年以来，佛山、东莞、深圳、成都、西安、大连等多地都计划建设大科学装置，其中同步辐射光源最受追捧。地方政府还创造了一个极具时代背景的概念——“有光则灵”。“光”便是光源大科学装置，“灵”则指的是政绩。
《中国新闻周刊》梳理公开资料发现，一些地方已着手开建这类大科学装置的前期工程。2021年6月，重庆开工建设当地首个大科学装置，包括同步辐射光源和超瞬态电子显微镜集群。2022年7月，《湖北日报》报道，大科学装置配套项目武汉光源工程即将8月施工，一期工程拟建设1.5GeV低能区第四代同步辐射光源。
为何地方政府都热衷于光源装置？黄振羽等分析认为，当前，中国经济质量提升的重要突破口在于创新，这引发地方政府间开启一场创新锦标赛，大科学装置是具有强公共属性、强外部性的创新性公共生产工具，面向基础研究前沿，能迎合地方政府的偏好。
多个现运行的光源项目都证明，这类平台型大科学装置有助于地方产业和人才集聚，以及助力城市转型升级。比如，2018年，总投资23亿元的中国首台散裂中子源在东莞建成，因这一项目，中科院高能物理所成立东莞研究部，定向招聘了近300名研究者落户本地。合肥同步辐射装置，每年可以吸引全球几十个国家和地区的科研人员来到当地，从事物理、化学、材料科学、生命科学等领域的基础研究和应用研究。
地方热衷建光源背后，触及的另一个核心问题是，大科学装置到底是要国家统一规划，还是地方可以自主建设？
国家统一部署，是国际上通行的大科学装置规划方式。以美国为例，大科学装置的主要管理部门是能源部(DOE)和美国的国家科学基金会(NSF)，DOE主要进行20年的长期规划，依据项目优先顺序进行资源配置。NSF则每年审查评估项目，根据一些学科的重大进展调整目标。据相关管理文件介绍，NSF对重大的基础研究新项目非常谨慎，要求预研时间至少为10年。
在国内，“十一五”期间，国家发改委提出要建设12个重大科技基础设施，开启大科学装置建设有序规划、加速发展的模式，之后每五年对项目进行调整和更新。2013年，国务院组织上百名专家研讨后，发布《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012—2030年)》，瞄准能源、生命、地球系统与环境、材料、粒子物理和核物理、空间和天文、工程技术等7个重点科学领域部署。
2018年，国务院在《关于全面加强基础科学研究的若干意见》中提到，“鼓励和引导地方、社会力量投资建设重大科技基础设施，加快缓解设施供给不足问题”，这成为了地方规划建设光源的一个契机。
但在同步辐射光源领域，郑晓年向《中国新闻周刊》介绍，国内经过多年建设，已形成了一套相对完整的布局。现有的北京同步辐射装置是一代光源，合肥同步辐射光源是二代光源，上海光源是三代光源，北京在建的高能同步辐射光源与合肥即将建设的先进光源，是第四代光源。根据光源加速器中电子能量的不同来划分，上海光源处于中能区，北京在建的是高能区光源，合肥即将建设的是低能区光源。
“我们的想法是在中国先部署一个全能区覆盖的同步辐射光源体系，分布在北京、上海、合肥三个综合性国家科学中心，供科学家和企业用户使用。根据目前国内经济形势，我们还是要集中力量办大事，而不是光源遍地开花。”郑晓年说。但他注意到，很多地方想要部署和建设的光源，都是中能光源，和现有上海光源的能区重复。
多位专家反对地方热衷建大科学装置。陈和生认为，部分地方领导从政绩出发，并未考虑当地是否真需要一个同步辐射光源、有没有用户。他担忧，这会破坏重大科技基础设施由国家统一规划的传统。而且，国内建设光源大科学装置的人才有限，有些单位没有建设队伍和管理机制，缺乏关键技术能力，只能高薪挖人，冲击已有国家重大科技基础设施的建设秩序，甚至可能会导致“烂尾”工程。
“我们有过先例，一个在建的国家(光源)工程项目的总工程师，被某大学高薪挖走，这是一个项目最重要的岗位。”郑晓年告诉《中国新闻周刊》。此外，大科学装置建成后将运行二三十年，每年运营费用相当于建设费用的10%左右，这也是一笔不小的开支。有专家担心，如果没有长远规划和支持，未来地方政府换届，很可能造成大科学装置难以持续发展。
《中国新闻周刊》了解到，因多地提出建设光源类大科学装置的计划，2021年，国家发改委发布关于国家重大科技基础设施窗口指导文件，要求各个地方政府规划投资超过10亿元以上的项目，如果未通过国家发改委的批复，不得擅自建设。但多位受访专家提到，并不了解目前哪些项目通过了窗口指导。
也有专家认为，一些产业集聚的城市的确有使用光源的需求。过去几年，深圳产业光源总负责人孙冬柏调研众多企业后发现，有车企受到中国台湾企业用同步辐射光源研究电池的启发，也申请了光源装置，但使用门槛很高。孙冬柏举例，企业使用前要递交申请，等到真正拿到使用权限，实验条件却难以满足企业需求。此外，做完实验后要分析数据，这也是企业的短板。
正因如此，孙冬柏认为，有必要专门为企业打造产业光源，在实验环境上模拟工业环境，同时能帮助企业解析数据。此外，他强调，地方政府建设大科学装置，有助于缓解国家财政压力，国家可以有序梳理项目，统一备案和评估，而不是完全限制地方的积极性。
穆荣平对《中国新闻周刊》说，地方政府和企业对发展大科学装置有积极性，符合相关政策要求。但他强调，中央统筹大科学装置建设，并加强窗口指导是必要的，未来也可以在经济发展水平高的部分城市扩大地方建设大科学装置自主权的试点，设置一些准入门槛，比如大装置建设项目预算低于地方财政收入一定比例，可以由地方自主决策投建，防止将大装置建设作为政绩工程盲目发展。
多位专家提到，当下更重要的是如何建好、用好现有光源。光源类大科学装置在建成后，还有升级需求。比如加速器和部分光束线站建好后，要根据设计容量扩充线站。线站越多，装置发挥的效率越大，目前在建的北京高能同步辐射光源，线站不少于90条。2009年，上海光源建成，包括加速器和首批建成的7条光束线站。但多位受访专家介绍，后续扩充线站时，上海光源团队不得不重新申请国家“十二五”重大科学基础设施建设项目，审批通过后，直至2016年11月，上海光源二期项目才开工建设，周期为6年。
“加速器在建好的前十年，是性能最好的时期，这等于在上海光源加速器的黄金阶段，它没有充分发挥作用。”郑晓年说。国外通行做法是，按照大科学装置发展规划和需求，分步升级，不需要重新申请项目批示。郑晓年认为，目前在建的北京怀柔高能同步辐射光源和即将开建的合肥先进光源，未来也要建设二期，要尽量避免走上海光源升级的“弯路”。
强化大科学装置的“科研属性”
大科学装置不同于一般基建工程，建设过程更像是科研攻关，会遇到各种技术难题，不确定性极大。以FAST为例，设计者最初想用钢材质建设望远镜的主动反射面，但钢的重量大，又影响反射面精度。之后，设计者尝试了碳纤维材质等诸多材料，最终从国外同行的实践中获得灵感，选择了铝合金结构，解决了精度、重量等问题。
2016年，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)发现引力波，引发全球天文物理学界的狂欢。次年，中国阿里原初引力波探测计划在西藏阿里动工，该项目计划建设一台国际一流的宇宙微波背景辐射偏振望远镜，原计划2020年建成，但受疫情等多因素影响，预计2023年年底前安装、运行。
原初引力波是宇宙大爆炸时产生的引力波。中科院高能物理研究所研究员、阿里项目首席科学家张新民描述，这是宇宙诞生时突然发生的一声啼哭，一直在宇宙中回荡，也是宇宙学和引力波基础前沿的重大突破方向。高海拔、大气干燥，是这类望远镜选址的基本要求。因此，阿里项目选址在海拔5250米。除了工程方面的挑战，建设过程中，台址建设、望远镜研制、控制和数据计算平台等研发，都面临难题。
多位专家向《中国新闻周刊》提到，大科学装置在建设阶段，存在工程属性与科研属性割裂的问题。王贻芳领导的高能所建设了北京正负电子对撞机、散裂中子源等大科学装置。他向《中国新闻周刊》介绍，国家发改委对大科学装置建设参照的是基建管理办法，投资费用只涵盖工程建设，而大科学装置本质是一个科研装置，建设过程中，研究团队出差、研究生人才培养，甚至发论文的版面费都不包含在资助范围内。
大科学装置建设过程中，如果一些设备研制失败后，科学家还需要重新研发和调试。据王贻芳了解，其他一些国家，因意外产生的不可预见费大约是建设经费的30%。但国内大科学装置建设的不可预见费与普通基建相同，是建设经费的大约5%，“这跟大科学装置的科研性质不符”。
“申请投资概算里没有科研经费支出或人员开支这种科目，想列都列不进去。”郑晓年对《中国新闻周刊》说。正因此，薪资和人才评价体系上，参与大科学装置项目的科研和工程人员长期处在尴尬的境地。郑晓年解释说，比如中科院某个研究所大科学装置科研人员，他们从所里领工资，研究员的工资包含基本工资和绩效，大科学装置建设周期很长，期间科研人员发论文少，这意味着绩效少，而建设经费又无法给人员一定的补贴。多位参与大科学装置建设的科学家表示，他们不得不在建设同时申请新的项目争取经费。
陈和生曾称，大科学装置对科研起到很大作用，但每年院士、杰青、优青评选，真正从事大科学装置建设的人很难评上，即便其在大装置建设过程中有很多创新，克服很多困难。“我的几个副总工程师，参与阿里项目七八年了，一直在干活，论文不够，不是杰青，到现在连个副研究员都没有评上。”张新民说。他担心人才流失，曾找到所长说，“不要等到我们的项目要出成果的时候，没有人来做了。”
多位受访专家提到，现阶段，从事大科学装置建设和运行的人才评估很难在国家层面得到解决。郑晓年认为，每个单位内部可以尝试改变。他介绍，FAST在建设期间，国家天文台为参与项目的科研工程人员划定了一个新的评价体系，“比如我们当时一年要评出10位研究员(正高级职称)，会划出两个名额给工程人员，其中不仅包括参与FAST的人，还有参与‘探月’工程的相关团队等，都按照工程系统的人才评价标准评估。”
郑晓年建议，未来可以在大科学装置相关建设经费中，体现其科研属性，增加一笔用于科研和人才的相关费用。王贻芳建议，国家发改委针对大科学装置建设，可以制定更有针对性的管理办法。
对于大科学装置建设由国家发改委负责的安排，穆荣平指出，国家发改委已形成相对成熟的工作机制，而且国家重大科技基础设施建设投资规模大，需要国家发改委统筹考虑经济社会发展需要决定。郑晓年分析说，国家发改委主管大科学装置的规划和建设，能保证其获得足够的重视和投入。
但一位不愿具名的大科学装置研究者认为，这背后更深层的症结在于，国内大科学装置的建设、运行、成果产出由不同部门管理。2014年，国家发改委等多部门出台了《国家重大科技基础设施管理办法》(以下简称《办法》)。依据《办法》，国家发改委牵头设施建设管理，建设和运行经费主要来自财政资金，科技部、自然科学基金委支持依托大科学装置开展重大科学研究，管理产出成果等。
前述大装置研究者认为，管理部门并不直接负责科研成果产出，这使得大科学装置的科研属性没有得到足够重视。以美国为例，重大科技基础设施从规划设计、建设管理、运行和产出，都主要由国家能源部统一负责，“如果建完装置不出成果，责任非常清楚”。
今年3月，新一轮机构改革组建了中央科技委员会。前述学者认为，未来可以讨论，是否将大科学装置的管理划归在有更强统筹能力的中央科技委，进一步理顺管理机制。
《中国新闻周刊》2023年第16期
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