发展大科学设施，建设科技强国

王贻芳

在海拔4410米的海子山上，世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最好的超高能伽马射线探测装置“拉索”，搜寻着看不见、摸不着的宇宙线；

在重峦叠嶂的喀斯特群山之间，500米口径球面射电望远镜“中国天眼”，仰望苍穹、远眺寰宇，将人类“视界”延伸到百亿光年之外；

在地下700米深处，江门中微子实验在建的能量精度、规模均世界领先的液体闪烁体探测器，可以将微弱的电信号放大1000万倍，捕捉有“宇宙幽灵”之称的中微子……

新时代以来，我国重大科技基础设施建设迎来快速发展期，一批大科学设施建成运营，撬动关键技术突破，重大成果不断涌现，培育了新兴产业集群，为科技强国建设和经济社会高质量发展提供了坚实支撑。

“世界已经进入大科学时代，基础研究组织化程度越来越高，制度保障和政策引导对基础研究产出的影响越来越大。”习近平总书记非常关心我国大科学计划、大科学工程、大科学中心的建设与发展，考察北京正负电子对撞机，强调真正把创新驱动发展战略落到实处；致信祝贺“中国天眼”落成启用，殷切寄语参研队伍高水平管理和运行好这一重大科学基础设施，早出成果、多出成果，出好成果、出大成果；在上海张江科学城参观大科学设施等展区，强调把科技创新摆到更加重要位置；参观国家“十三五”科技创新成就展时，仔细观看散裂中子源、“慧眼”卫星等科学装置的相关实物和模型，希望广大科技工作者坚定创新自信，紧抓创新机遇，勇攀科技高峰，破解发展难题……在中央委员会全体会议、中央政治局集体学习、中央人才工作会议等重要会议、重要场合，总书记多次强调推动大科学计划、工程和中心建设，为人才提供国际一流的创新平台。总书记的关心和指导，为我国大科学设施的进一步建设与发展指明了方向。

一、大科学设施是科研利器

什么是大科学设施？简单地说，大科学设施是为进行大规模科学研究而建造的大型设施，不仅包括大型实验设备装置本身，还包括支持相关科学研究的支撑体系。其重要特点之一，即知识创新、科学成果产出丰硕，技术溢出、人才集聚效应显著，通常被认为是国家创新高地的核心要素。

为什么要发展大科学设施？随着科技的发展，人们通过规模越来越大的科学装置拓展感知能力，远观越来越大、越来越远的空间和宇宙，近察越来越小的物质结构和基本粒子，不断刷新原来“大”、“小”的定义。这已成为科学研究和人类文明拓展的趋势和方向。大科学设施的主要目标，就是为人类更好探索未知世界、发现自然规律、提升研发能力、实现科技变革提供物质和系统支持。

与其他设施不同，大科学设施具有鲜明的工程和科研双重属性。它不同于一般的基础设施工程，其设计、研制、建造涉及大量复杂技术和工艺，具有综合性、复杂性、先进性，甚至可能具有唯一性。它也不同于基于通用设备的科研仪器中心或者平台，不仅体量大、投资大、周期长，还需要自行设计研制专用设备，通常需要国家统筹规划、布局和建设，通盘协调运行。

大科学设施既是国家基础设施的重要组成部分，也是国家创新体系中具有强大研发能力的大型科研基地，已成为推动科技创新、加快实现高水平科技自立自强的利器。大科学设施建设与运行的高标准技术需求，使其往往成为国家科技实力、经济实力和软实力的重要标志之一。

大科学设施依托高水平创新主体建设，面向社会开放共享并提供长期运行服务。按照不同用途，一般分为以下几类。

一是专用基础设施，即为基础科学领域的重大科学目标而建设的研究装置，如北京正负电子对撞机、全超导托卡马克核聚变实验装置“人造太阳”、高海拔宇宙线观测站“拉索”、500米口径球面射电望远镜“中国天眼”等。这类设施科学目标明确具体，研究内容、用户群体比较特定、集中。

二是公益基础设施，如我国最早的科技基础设施之一——长短波授时系统，以及后来建成的中国遥感卫星地面站、中国西南野生生物种质资源库等，主要为经济建设、社会发展、国家安全提供基础数据和信息服务。

三是公共实验平台，主要为多学科领域的基础研究、应用研究提供支撑性平台，例如上海光源、中国散裂中子源、强磁场实验装置等。这类装置为多个领域的不特定用户提供实验平台和测试手段，同时面向物理、材料、环境、地质、生物、制药、装备制造等领域的基础科学前沿和产业应用，满足特定领域研发需求。

四是专用技术平台，主要为某个特定领域、关键技术提供测试和技术研发、验证平台，以及提供专业数据、研究手段和技术服务，如燃气轮机试验装置、云平台技术测试等。近年来，为满足国家经济社会发展和行业技术革新等需求，这类新科技基础设施逐渐成为大科学设施的重要类型。

这4类大科学设施面向世界科技前沿、经济主战场、国家重大需求和人民生命健康等需要，各有侧重、各有所长。

二、国内外大科学设施发展概况

新一轮科技革命会由哪些领域引领？再一次基础科学重大突破会在哪一时刻来到？一个世纪以来，科学家们对这些问题有不同的关注和考量，但共识之一，是认为无论未来通往何方，要成功打开一扇扇科技之门，向科技的更广维度和更深层次进军，需要在已有的科学体系基础上，开发更高能量、更大密度、更高强度的极限研究条件，建设功能强大的科学设施。

20世纪三四十年代，世界各科技强国开始重视并着手建设重大科技基础设施。例如，美国在高能物理、天文、能源、生态环境、信息科技等领域布局一批性能领先的大科学设施，包括先进光子源（APS）、激光干涉引力波天文台（LIGO）、韦伯太空望远镜（JWST）、深地中微子实验（DUNE，建设中）等。这些大科学设施催生了发现引力波等一系列重大科学成果和相关核心技术。英、德、法等国家在能源、材料、生命健康、资源环境等多个领域，布局建设数量众多的科学研究设施。为整合资源，提高整体竞争力，欧盟国家联合建设一批国际领先的大科学设施，如欧洲同步辐射装置（ESRF）、大型强子对撞机（LHC）、欧洲X射线自由电子激光、欧洲散裂中子源（ESS，建设中）等。这些设施让欧洲在相关领域保持了科技领先优势。

图为拍摄于2017年12月5日的北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）第三代北京谱仪。 中国科学院高能物理研究所供图

1956年12月，我国颁布第一个长期科技发展规划——《1956—1967年科学技术发展远景规划》。在这一规划指导下，围绕“两弹一星”的研制，我国布局建设一些科学研究设施，如点火中子源、实验性重水反应堆、材料试验反应堆、小型加速器等。这些是我国重大科技基础设施的雏形。20世纪60年代，我国部署并启动高能加速器、短波授时、2.16米口径光学天文望远镜等基础研究设施的预先研究工作。1983年，北京正负电子对撞机建设得到批准并被列为国家重点工程项目。翌年，邓小平同志专程到中国科学院高能物理研究所为工程奠基，并铲下第一锹土。在接下来的几年中，成千上万的科研人员、干部群众艰苦奋斗、共同努力，克服物质条件和技术基础等方面的多重困难，完成工程建设。在对撞机建设过程中，为了提供相应技术和产品支持，我国在真空、微波、电磁铁、大功率高稳定度电源等方面的技术水平都大幅提高。此后，北京正负电子对撞机经历几次升级改造，取得许多突出成绩。

随着我国经济社会快速发展，中国遥感卫星地面站、北京串列加速器核物理国家实验室、合肥同步辐射装置、“东方红2号”海洋综合调查船、郭守敬望远镜、全超导托卡马克核聚变实验装置等建成运行，我国大科学设施建设开始向多学科领域扩展，建设和开放共享水平不断提升，科研和应用产出能力持续提高。

新时代以来，以习近平同志为核心的党中央前瞻谋划、系统部署重大科技基础设施建设，领导实施《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）》，几十个国家重大科技基础设施先后纳入规划并启动建设。500米口径球面射电望远镜、高海拔宇宙线观测站、高效低碳燃气轮机试验装置等落地建成，我国大科学设施的数量和质量都有新的跃升，覆盖领域不断拓展，技术水平明显提升，运行管理体系不断完善，综合效益日益显现。

目前，我国布局建设、在建和运行的重大科技基础设施项目总量超70个，数量上已处于世界领先梯队，技术上也逐渐实现部分领跑，比如，北京高能同步辐射光源、高海拔宇宙线观测站、500米口径球面射电望远镜等，均达到国际先进水平。

三、我国大科学设施运行成效显著

在党中央科学决策和大力推进下，经过科研人员和建设队伍的不懈奋斗，我国大科学设施建设和运行实现了从跟跑到并跑和部分领域领跑的飞跃，对促进我国科学技术事业发展起到重要支撑作用，为解决国家发展中遇到的关键瓶颈问题作出重要贡献，技术溢出显著促进了经济社会发展，依托大科学设施逐步形成一批在国际上有重要影响的国家科技创新中心和人才高地。一个个大科学设施，成为一片片孕育创新、科技、人才和活力的沃土，结出一颗颗丰硕饱满的果实。

位于贵州省平塘县的“中国天眼”，是世界上最大、最灵敏的单口径球面射电望远镜。近年来，“中国天眼”进入“多出成果”、“出好成果”的阶段，发现新脉冲星数量突破1000颗，超过国际上同时期其他望远镜发现脉冲星数量的总和。图为2024年2月26日拍摄的“中国天眼”（维护保养期间使用物理滤镜拍摄）。 新华社记者 欧东衢/摄

产出原创性引领性科学成果。 大科学设施的运行，为粒子物理、凝聚态物理、天文、空间科学、材料与纳米科学、生命科学等领域基础研究和应用研究提供了重要平台，推动部分前沿方向迅速进入国际先进行列，一些成果在国际上产生重大影响。例如，快速射电暴是目前人类已知的宇宙中最明亮的射电爆发现象，在1毫秒的时间内释放出太阳大约一整年才能辐射出的能量。当探测到来自宇宙深处的快速射电暴时，人们会依次接收到从高频到低频的脉冲信号，仿佛聆听一段优美的“宇宙琶音”。快速射电暴起源是当今天体物理领域最前沿的科学问题之一。我国科学家利用“慧眼”卫星为快速射电暴对应的X射线天体研究提供了关键数据，利用“中国天眼”第一次捕捉到快速射电暴多样化的偏振信息。未来，大量可定位的快速射电暴探测所得到的相关数据，有望成为基础物理与宇宙学研究的重要突破口。又如，我国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置汇聚“超高温”、“超低温”、“超高真空”、“超强磁场”、“超大电流”等尖端技术于一体，拥有专利近2000项。2025年1月20日，全超导托卡马克核聚变实验装置首次完成1亿摄氏度1066秒“高质量燃烧”，创造新世界纪录，攀上新的科学高峰。这些大科学设施产出的科学成果，在相关研究领域处于世界前沿水平，对科学研究、科技发展作出原创性、引领性贡献。

推动解决战略性科技问题。 大科学设施为加快重要领域技术攻关、在战略性领域取得更多更大突破创造条件，解决了一些重点领域、关键核心技术“卡脖子”问题，引领带动相关产业发展。比如，航空发动机核心部件叶片的服役寿命，是我国航空独立自主发展必须突破的问题。过去，我们一直受困于缺乏合适的叶片检测手段。通过中国散裂中子源，科研人员首次获得多种型号发动机的不同型材叶片在不同工艺、不同服役状况下的内部应力数据，突破国内深层高精度应力测试与评价的技术瓶颈，支撑我国航空业解决国产叶片的材料设计、制备和加工工艺难题。

2025年1月20日，全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）实现1亿摄氏度1066秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，再次创造了托卡马克装置新的世界纪录，对人类加快实现聚变发电具有重要意义。图为1月15日拍摄的实验装置。 新华社记者 黄博涵/摄

促进高技术发展。 大科学设施的技术溢出效应催生一批新技术、新产品，为国民经济和社会发展提供科技支撑。比如，自主生产光子探测器的核心器件——光电倍增管，在十几年前还只是一个大胆的梦想。江门中微子实验的建设，推动实现高探测效率的光电倍增管国产化，产品综合性能达到世界一流水平，打破了国际垄断，推动我国真空光电器件步入国际先进行列。又如，针对当今社会威胁人类生命健康的疾病，中国科学院近代物理研究所成功建设兰州重离子研究装置并开展医用重离子治癌临床治疗，中国科学院高能物理研究所依托中国散裂中子源开展硼中子俘获治癌研究，这些研究和实践推动我国大型医疗设备研制和应用取得重大突破，为抗击癌症、守护人民健康提供科技力量。

助推建设创新高地。 大科学设施对北京、上海、粤港澳大湾区等科技创新中心的建设起到巨大推动作用，显著提升这些创新高地的科技实力和创新能力。同时，大科学设施间接优化所在区域的人才环境，提高了当地对高科技人才和相关企业的吸引力，促进地方经济社会发展。比如，中国散裂中子源落户广东东莞后，迅速集聚并培养了一批懂科学、懂技术、懂工程、懂管理的科技人才及大批青年学生，在东莞和粤港澳大湾区的产业转型升级、经济社会发展中起到重要推动作用。

四、积极推动我国大科学设施建设发展

大科学设施在我国实现高水平科技自立自强、带动制造业转型升级、推动经济高质量发展之路上发挥的积极作用，令人鼓舞。同时，也要清醒认识到，我们仍然缺乏世界领先的“旗舰”型大科学设施，独创独有的大科学设施不多，有的设施关键技术的源头主要来自国外，有的设施性能指标离世界先进水平还有差距。此外，我国大科学设施的类型和领域布局不尽合理，有的项目重复建设，对一些项目是不是符合科学规律和用户需求考虑不足，可能导致同质且低水平的无序发展、人才的无序竞争和资源的浪费等。

锚定2035年建成科技强国目标，大科学设施的发展要有志于在重要科学方向酝酿历史性的重大发现，抢占前沿领域的制高点；要能切实满足发展需求，破解创新链条堵点，解决关键科学与技术问题。我国现有大科学设施数量已经与美国等发达国家相当，接下来发展的重点，应从填补国内空白的“增加数量类”向引领国际的“提高质量类”转变。

加强顶层设计，建立分类遴选机制。 建设新的大科学设施应全国一盘棋，整体布局上制定总体目标和各自定位，才能更好发挥集中力量办大事的制度优势，做好发展战略选择和优势学科布局。坚决避免“撒胡椒面”般一哄而上、重复投资。规划布局应与国家实验室、地方实验室、国际科技创新中心、区域科技创新中心等协同联动，提升整体效能。根据不同设施类型采取不同遴选方式，确保设施建设符合学科发展规律和国家现实需求。

开展预先研究，优化管理制度。 预先研究包括前瞻性的原理探索、概念设计和关键部件研制。关键技术预先研究的前瞻布局够不够，是影响引领型、独创独有型设施发展的重要因素之一。但预先研究有时难以预设明确的“交账”目标，不易获得各方面支持。这就需要调整科研管理体制，加强对预先研究性工作的支持，完善不同类型预先研究的投入机制。同时，大科学设施的设计和建造具有鲜明的工程和科研双重性，不能单纯按照基建工程管理，而要充分考虑其科研属性，制定适应设施特点与发展规律的建设管理制度。此外，考虑大科学设施在产出论文、成果上的特点，需优化项目与人才的一体化资源配置方式。进一步加强资源统筹，构建以稳定支持为主、自由竞争为辅、多元投入为补充的建设和运行体系，建立健全覆盖大科学设施“全生命周期”的建设、运行、退役管理体系。

加强高水平国际合作，发起国际大科学计划。 重大科技基础设施一直是国际科技合作的重点，很多大科学设施本身就是国际大科学计划和大科学工程的产物。应坚持开放合作，努力拓展合作范围、方式和渠道，在项目遴选、评估、设计、建设和运行上有更多国际参与。同时，积极参加国外项目，广交朋友，培养国际型研究人才，扩大设施影响，争取国际支持，积极发起实施国际大科学计划和大科学工程。

作者：中国科学院院士、高能物理研究所研究员