中国的大科学装置

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来源：今日新材料

作者：今日新材料

中国江门中微子实验站，工作人员的施工现场工作。

中国南部广东附近的江门中微子实验站(JUNO) 无疑是大科学装置。中心是一个巨大的球体，里面装满了2万吨液体，并安置在约700米深的地下实验室里，旨在回答粒子物理学中的基本问题。这是迄今为止建造的同类仪器中，最大、最灵敏的大科学仪器。

中国西南部四川省的中国锦屏地下实验室（China Jinping Underground Laboratory）也有类似规模。寻找暗物质的实验，最近已经扩大到世界上最大和最深的地下实验室，位于锦屏山下2400米处。地球系统数值模拟装置（EarthLab）位于北京，是模拟地球气候系统的高性能虚拟实验室；高海拔宇宙线观测站（LHAASO）位于四川，使用遍布青藏高原的探测器阵列，以扫描高能宇宙射线和γ射线，这是中国在过去两年中推出的另外两个大型基础设施科学设施。还有其他设施正在建设中，包括北京的高能光子源，这是中国第一个高能同步辐射设施，将于2025年投入使用。

华盛顿特区非营利组织中美研究所（Institute of China-America Studies）的杰出研究员丹尼斯·西蒙（Denis Simon）说，中国在全球研究领域迅速崛起的下一个阶段，将是关注大科学。在2022年自然指数中，中国的自然科学产出已经超过了美国，现在领先了近5000个份额。西蒙说，建造和运营大型设施的声望，会进一步巩固中国作为科学超级大国的地位，这些大科学装置旨在产生大量数据和见解，可用于多个领域和行业。

大科学附带了机遇是中国的一大吸引力。例如，从欧洲核子研究组织（CERN）的大型粒子加速器中衍生出来的技术，已经彻底改变了医学成像，并引发了万维网的发展。现在广泛用于智能手机、网络摄像头和其他产品的微型相机技术，可以追溯到美国国家航空航天局（NASA）的星际任务工作。西蒙说：“中国仍在寻找突出其发展速度的重大突破。”但还有另一个因素推动中国积累大科学基础设施，他补充说：“中国想要赢得诺贝尔奖。”

考虑到中国研究团体的规模，中国的诺贝尔奖数量非常低。中国近期唯一一项获奖研究——2015年诺贝尔生理学或医学奖，获奖原因是发现了治疗疟疾的药物青蒿素——是为了表彰主要在20世纪70年代进行的研究。西蒙说，赢得更多的诺贝尔奖，以肯定中国在全球科学领域的领先地位，这是中国领导人公开讨论的事情。“这在一定程度上与民族自豪感有关——这是一种不断鼓舞士气的方式，表明中国不再是跟随者，而是可以成为领导者。”

从历史上看，世界上大多数大科学项目都是由美国、欧洲和日本主持的，这些国家在中国于1984年启动的第一个重大科学基础设施——北京正负电子对撞机（BEPC）之前几十年就开始建设设施了。但中国很快就迎头赶上。西蒙说：“ 1980年，当中国决定开始与西方合作时，关系非常不对称，中国远远落后。”他补充说，现在，中国的立足点更加均衡，“甚至在某些研究领域或子领域处于领先地位”。

例如，在粒子物理学中，经过一系列升级后，北京正负电子对撞机BEPC成为世界上第一台探测到已确认的“四夸克”（一种奇异形式的亚原子物质）的仪器(M. Ablikim et al. Phys. Rev. Lett. 110, 252001; 2013)。在天体物理学中，高海拔宇宙线观测站LHAASO捕捉到了，迄今为止探测到的最高能量γ射线爆发，这一事件以至于挑战了物理学的经典理论 (The LHAASO Collaboration Sci. Adv. 9, eadj2778; 2023)。西蒙说：“在这个时代，中国是更加积极主动、更有影响力的参与者，正在塑造游戏规则。”

这种转变，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（Max Planck Institute for the History of Science）研究小组的负责人安娜·丽莎·阿勒斯（Anna Lisa Ahlers）表示：“目前正在进行的讨论，包括中国国内的讨论，表明中国在国际科学中发挥了重要作用，只是处于前沿，擅长于高质量的后续工作，而不是自己开创新的趋势。”“如果建立了其他国家没有的科学基础设施，这种情况可能会改变，”她说。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的“颠覆性创新”，并将国家的科学预算提高了10%，尽管整体经济增长缓慢。

高压科学

中国新的大科学基础设施，能否带来预期的收益，很大程度上取决于位于北京的中国科学院（CAS），这是世界上最大的科学研究机构，负责建设和运营中国大部分的大科学设施。作为中国最重要的研究资金接受者，中国科学院有望提供中国领导层渴望的改变游戏规则的研究发现。西蒙说：“中国科学院一直认为，如果中国想成为科技大国，就需要提升基础研究，包括大科学基础设施。”目前大科学装置的愿望实现了，此刻中国科学院是该交卷的时候了，为此也承受着很大的压力。在中国领导人中，有一种对整个系统的不断告诫：你必须做得更好you’ve got to do a better job。

在中国锦屏地下实验室，研究人员注入液态氮。来源：Imago/Alamy

中国科学院在建设如此庞大的专业基础设施时，面临的个主要挑战之一是，由于多个项目同时启动，中国精英人才正变得捉襟见肘。例如，在中国重要的研究领域高能光子科学中，由于地方政府资助的项目与中国科学院和北京、上海的其他研究机构，正在开发的项目相互竞争，这些设施正在互相poaching挖人。“我不确定让这么多基础设施项目同时（运行）是否明智，”德国汉堡基础科学研究所德国电子同步加速器（German Electron Synchrotron）的区域研究研究员马库斯·康莱（Marcus Conlé）说。Conlé去年作为代表团的一员访问了中国，探索潜在的研究合作。

康莱说，中国许多大科学项目的设施优先方法是另一个痛点。“在欧洲，这一过程，将是研究人员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。”在中国，有更多的动力来建造仪器，以获得世界第一的地位——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，试图找出如何使用大科学装置的方法，”康莱说。他补充说，这种情况反映出了，中国在建造和操作此类大科学装置仪器方面，经验相对不足，尽管在上海等主要研究中心，这种情况正在迅速改变。

哥伦布市俄亥俄州立大学（Ohio State University）研究国际科学合作的公共政策研究员卡罗琳·瓦格纳（Caroline Wagner）说，通过合作，向其他国家学习，对中国的大科学未来，具有非常重要的战略意义，尽管中国与西方的政治关系依然紧张。Wagner指出，中国投资的大部分大科学基础设施都是，世界领先的海外设施科学家协商设计的。她说：“研究人员知道，必须加强国际交流与合作，才能提高研究工作质量，例如，我们可以从俄罗斯的经验中，看到这一点。”

一些西方国家担心，中国的合作研究关系等同于单向的技术转让。因此，Ahlers说，“中国大学正在说服国际科学家”在中国工作，却“变得更加困难”。然而，中国的大科学装置项目，具有更强大的吸引力。Ahlers说：“要成为全球科学强国，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。”“许多研究人员真的想去这些独特的大科学基础设施，因为这是在其他地方无法获得的新数据来源。”

康莱说，中国对大科学的投资，也可以带来全球利益。他表示：“中国合作伙伴的合作变得越来越困难，但也越来越有趣。”“在过去，这通常涉及在欧洲设施的合作——但现在也可以是在中国的大科学装置合作。”

西蒙还看到了中国推动大科学装置，对全球科学的主要好处。“需要睁大双眼，”他说。“但是，如果西方在'互惠互利mutual benefit'这个词有一些潜在含义的时候，离开中国，那将是不明智的——因为这种人才流动，不仅可以从西方流向东方，而且现在也可以从东方流向西方。”

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