“大科学装置决定着人类在某一个或多个领域的前沿研究上取得突破的能力,是建立具有强大国际竞争力的国家大型科研基地的重要条件、科学研究的‘航空母舰’以及‘航母战斗群’。”在11月3日举办的2023全球硬科技创新大会“光子产业发展暨硬科技成果转化论坛”上,中国工程院院士赵振堂多次强调大科学装置的重要性。

  在赵振堂看来,大科学装置与大科学研究密不可分。美国科学家温伯格于上世纪五十年代提出“大科学概念”,强调以火箭、加速器和反应堆为标志的大型科研项目;美国科学家赖斯在“大科学概念”提出几年后出版了《小科学,大科学》一书,认为第二次世界大战前的科学属于小科学,人类社会从“二战”开始进入“大科学时代”,特征是强调科学研究的总体社会规模。

  大科学研究是有众多科学家参与的高度组织化的知识生产活动,目标宏大,特别是投入规模大、多学科综合交叉、依赖于大型或复杂的研究设施。

  由此诞生大科学工程。大科学工程是基于科学并为了科学而建造大型科研装置的工程活动,有时它本身就是大科学的一个组成部分。大科学工程既有明确的科学目标,又有明确的工程技术指标,具有双重性。大科学工程既有集成创新、也有理论概念、设计方法、装置技术和实验技术创新,是一个不断冲击学科前沿和技术极限的发展过程。

  大科学工程建造的科研装置就是大科学装置。大科学装置指的是为提升探索未知世界、发现自然规律、实现科技变革的能力,通过国家统筹布局,依托高水平创新主体建设,面向社会开放共享的大型复杂科学研究装置或系统,是长期为高水平研究活动提供服务、具有较大国际影响力的国家公共设施。它的主要特点是科学技术意义重大,影响面广且长远,建设规模和耗资大,建设时间长;技术综合、复杂,需要研制大量非标设备,具有工程与科研的双重性;其产出是科学知识和技术成果,而不是直接的经济效益,建成后要通过长时间稳定的运行、不断地发展和持续的科学活动才能实现预定的科学技术目标;从立项、建设到利用的全过程,大科学装置都表现出很强的开放共享和国际化的特色。

  大科学装置对科技发展具有巨大的支撑作用,为诸多学科前沿研究及其交叉研究提供先进的实验平台,促进学科发展,集聚和培养高水平科技人才,将助力科研生态建设,提升国际科技合作的层次和水平。大科学装置已经成为国家科技能力的重要标志,将带动国家高新技术的发展和综合集成,是众多高新技术的源泉和高新技术产业的摇篮。

  在这些大科学装置中,光子大科学装置是人类探索物质世界一种最重要的工具。光子大科学装置主要有同步辐射光源与自由电子激光等多种类型。这些加速器X射线光源可形象地看作是由高品质的“巨型X光机”和“超级显微镜”组成的,它们以其高亮度、高准直性、波长可调、高相干性和短脉冲等不可替代的优点,成为了支撑众多学科前沿基础研究与高新技术研发不可或缺的实验手段。

  加速器光源集群结合了同步辐射光源和自由电子激光。同步辐射光源的应用领域很广泛,包括先进材料、石油化工、消费产品、工业材料和能源与环境等多个领域。X射线自由电子激光对化学反应超快过程的理解和控制将加快下一代清洁能源技术的发展;对促进新型药物研制、可再生能源的研究、材料电磁特性和纳米结构的观测等方面有重要的推动作用,将帮助人类理解聚变反应和星球本质。

  以上海光源为例,经过一期及后续工程建设,上海光源现有34条光束线和46个实验站投入运行,已成为目前我国服务用户最多、成果产出率最高的大科学装置。上海光源开放运行以来,已服务遍布全国700多家单位约3900个课题组的4万多名用户,在生命、能源、材料、物理和化学等诸多领域,产出了一批重大成果。上海光源支撑了入选“中国十大科技进展新闻”“中国科学十大进展”“国家自然科学奖一等奖”“国家科学技术进步奖二等奖”等的一系列科研成果产出。

  上海光源在催化材料研发、单原子催化、纳米限域催化、生物大分子结构解析和新药物研发、高性能材料研发、合金凝固黑箱问题破解、助力石墨烯走向产业自主创新和加速器技术进步与国产化等方面发挥了重要作用。

  大科学装置可有力支撑前沿研究、技术创新和产业研发取得突破,对技术进步和产业发展乃至人才集聚与培育有重要的带动作用。

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