Nature Index | 中国的大科学基础设施：令人自豪的进步

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前言

为了提高在全球科学领域的声望和影响力，中国正在大力投资建设主要设施。从第一个高能同步加速器到世界上最大的地下实验室，中国正在做大，并取得世界的认可。

一名工作人员在中国江门地下中微子实验观测站施工现场工作。图片来源：邓华/新华社/Alamy

位于中国南部广东附近的江门地下中微子实验观测站（JUNO）无疑是一所大型科学观测站。该观测站以一个装有 20,000 吨液体的巨型球体为中心，位于地下约 700 米深的实验室中，旨在解答粒子物理学的基本问题。它是迄今为止建造的同类仪器中规模最大、灵敏度最高的仪器。

同样规模宏大的还有位于中国西南四川省的中国锦屏地下实验室。这项暗物质搜寻实验最近已扩大到世界上规模最大、最深的地下实验室，位于锦屏山下2,400 米处。地球实验室是位于北京的高性能虚拟实验室，用于模拟地球气候系统；而位于四川的大型高海拔空气簇射观测站 (LHAASO) 则使用遍布青藏高原的探测器阵列来扫描高能宇宙射线和 γ 射线。这两座大型基础设施科学设施是中国过去两年内投入使用的。其他设施正在建设中，包括位于北京的高能同步辐射光源，这是中国第一座高能同步加速辐射装置，将于 2025 年启用。

华盛顿特区非盈利组织中美研究所的杰出研究员丹尼斯·西蒙（Denis Simon）表示，关注大科学是中国在全球研究领域迅速崛起的下一个阶段。在 2022 年自然指数中，中国在自然科学产出方面超过美国，目前已领先美国近 5,000 个百分点。西蒙表示，建造和运营大型设施所带来的声望，可以进一步巩固中国作为科学超级大国的地位，这些设施旨在产生大量数据和见解，可以用于多个领域和行业。

大科学带来的衍生机会对中国来说具有很大的吸引力。例如，欧洲核子研究中心（CERN）的大型粒子加速器衍生出的技术已经彻底改变了医学成像，并推动了万维网的发展。目前广泛应用于智能手机、网络摄像头和其他产品的微型相机技术可以追溯到美国宇航局的星际任务工作。“中国仍在寻找能够凸显其发展速度的重大突破，”西蒙说。但他补充说，还有另一个因素推动中国积累大科学基础设施：“中国想获得诺贝尔奖。”

鉴于中国科研界的规模，中国获得的诺贝尔奖数量非常低。中国最近获得的唯一一项研究奖是 2015 年诺贝尔生理学或医学奖，表彰了抗疟药青蒿素的发现。该奖项主要表彰了 20 世纪 70 年代开展的研究。西蒙说，赢得更多诺贝尔奖以确立中国在全球科学领域的领先地位是中国领导人公开讨论的问题。“这在一定程度上与民族自豪感有关——这是一种持续的士气建设，表明中国不再是追随者，而是可以成为领导者。”

从历史上看，世界上大多数大型科学项目都由美国、欧洲和日本主办，这些国家早在1984 年中国启动其第一座大型科学基础设施——北京正负电子对撞机 (BEPC) 之前几十年就开始建设这些设施。但中国很快就迎头赶上。“1980 年，当中国决定开始与西方合作时，双方关系非常不对称，中国远远落后，”西蒙说。现在，中国的地位更加平等，“甚至可能在某些研究领域或子领域处于领先地位”，他补充道。

例如在粒子物理学中，经过一系列升级，北京正负电子对撞机成为世界上第一个探测到已确认的“四夸克”的仪器，四夸克是一种奇异的亚原子物质形式（M. Ablikim et al. Phys. Rev. Lett. 110, 252001; 2013）。在天体物理学中，LHAASO 捕捉到迄今为止探测到的最高能量 γ 射线爆发，这一事件非常引人注目，挑战了经典物理学理论（The LHAASO Collaboration Sci. Adv. 9 , eadj2778; 2023）。“我认为（中国国家主席）习近平看到了一个中国将成为更积极主动、更有影响力的参与者、塑造游戏规则的时代的到来，”西蒙说。

这一转变将如何影响全球研究生态系统还有待观察。柏林马克斯普朗克科学史研究所研究中国与全球科学体系的研究小组负责人安娜·丽莎·阿勒斯(Anna Lisa Ahlers) 表示，包括中国国内在内，人们一直在讨论中国如何在国际科学领域发挥重要作用，因为它紧跟前沿，擅长高质量后续工作，而不是自己开辟新趋势。她说：“如果他们建立其他国家没有的科学基础设施，这种情况可能会改变。”在今年早些时候的一次政策会议上，习近平呼吁在科技领域进行更多“颠覆性创新”，并在整体经济增长缓慢的情况下将国家的科研预算增加了 10% 。

高度压力下的科学

中国新的大科学基础设施能否取得预期成果，很大程度上取决于位于北京的中国科学院（CAS）。该院是世界上最大的科研机构，负责建设和运营中国大部分大科学设施。作为中国最大的科研经费接受者，中科院有望实现中国领导层渴望的改变游戏规则的发现。“中科院一直认为，如果中国想成为一个科技强国，就需要在基础研究方面提高水平，包括大科学基础设施，”西蒙说。“他们的愿望实现了，他们承受着巨大的压力。中国领导人不断告诫整个系统，必须做得更好。”

研究人员在中国锦屏地下实验室注入液氮。图片来源：Imago/Alamy

中科院在建设如此庞大而专业的基础设施方面面临的一个主要挑战是，由于多个项目同时启动，中国熟练的劳动力资源捉襟见肘。例如，在中国重要的研究领域高能光子科学领域，由于地方政府资助的项目与中科院和北京、上海其他研究机构正在开发的项目竞争，各个机构正在互相挖角。“我不确定同时启动这么多基础设施项目是否明智，”德国汉堡基础科学研究所德国电子同步加速器的区域研究研究员马库斯·孔莱(Marcus Conlé) 表示。孔莱去年作为代表团成员访问了中国，探讨潜在的研究合作。

孔莱表示，中国许多大科学项目都以设备为先，这是另一个痛点。“在欧洲，这个过程是，研究人员会提出一项超出现有研究基础设施限制的实验，然后提出建造新仪器的理由。”孔莱说，在中国，人们更热衷于建造仪器以宣称自己是世界第一——尤其是在基础设施由地方政府资助的情况下——“然后科学家们试图弄清楚如何使用它”。他补充说，这种情况反映了中国在建造和操作此类仪器方面相对缺乏经验，尽管这种情况在上海等主要研究中心正在迅速改变。

美国哥伦布市俄亥俄州立大学研究国际科学合作的公共政策研究员卡罗琳·瓦格纳 (Caroline Wagner) 表示，即使与西方的政治关系仍然紧张，通过合作向其他国家学习对中国大科学的未来具有非常重要的战略意义。瓦格纳指出，中国投资的大部分大科学基础设施都是在与海外世界领先设施的科学家磋商后设计的。“研究人员知道，脱离接触会导致工作质量下降，例如，我们可以从俄罗斯的经验中看到这一点，”她说。

一些西方国家担心与中国的合作研究关系等同于单向技术转让。因此，“中国大学说服国际科学家来中国工作变得更加困难”，阿勒斯说。但中国的大科学项目具有更强大的吸引力。“要成为全球科学强国，你需要吸引国际研究人员，而这正是这些大科学基础设施项目正在做的事情，”阿勒斯说。“许多研究人员真的想去这些独特的大科学基础设施，因为这是他们在其他地方无法获得的新数据来源。”