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国际大科学计划和大科学工程介绍系列—概述

2021-08-06 11:37     来源:中国科技云     LHC国际大科学计划
国际大科学计划和大科学工程(以下简称大科学计划)是人类开拓知识前沿、探索未知世界和解决重大全球性问题的重要手段,是一个国家综合实力和科技创新竞争力的重要体现。不仅是世界科技创新领域重要的全球公共产品,也是世界科技强国利用全球科技资源、提升本国创新能力的重要合作平台。

大科学计划介绍系列文章将跟进国内外一系列大科学计划,并结合信息基础设施、开放科学与开放科学云等与大科学计划之间关系进行介绍。

本篇将首先介绍大科学概念、大科学计划以及在国内的发展情况。

一、大科学的概念及特点

大科学(BigScience,Mega science,LargeScience)一般是指投资大,多学科交叉的大型的基础科学研究项目,目前还没有一个确切的定义。大科学需要大量的资金,实验设备昂贵复杂,研究目标宏大,因此多为国际合作的形式进行。

大科学是一种在第二次世界大战期间和之后发展起来的科学研究方式,它确定了物理学、天文学和后来的生物科学中许多研究的组织和性质。大科学的特点是大型仪器和设施,由政府或国际机构资助,由科学家和技术人员组成的团队或小组进行研究。

通常情况下,大科学项目是难以建立的。它们需要耗费大量资金的设备、建筑和方法,数亿甚至数十亿美元,远远超出个别科学家、科学家小组或公司(又称 "小科学")所能承受的范围。

“大科学”一词最早出现在1961年《科学》杂志上的一篇文章中,这篇文章的题目是“大规模科学对美国的影响”,作者是物理学家、橡树岭国家实验室主任阿尔文·温伯格。这篇文章把大科学描述为第二次世界大战产生的科学新政治经济的一部分,在这期间,美国政府赞助了巨大的研究工作,如曼哈顿计划、美国原子弹计划和辐射实验室,麻省理工学院的雷达研究中心。高科技战争把支持科学研究变成了国家安全的优先事项,并使科学家和工程师成为冷战时期资金援助的受益者。

虽然小科学绝不是不需要或不相关的(没有小科学,大科学就不会存在,事实上,小科学可以从大科学中获得具体的好处),但大科学项目可以为极具挑战性的问题提供更快、更深远的解决方案,而小规模的项目往往无法做到。简而言之,大科学指的是具有巨大目标的大规模研究,需要大量资金。

大科学具有以下几个特点:(1)具有重大科学意义和战略意义,体现了国家战略需求,影响面广且长远。(2)高的复杂性和系统性,耗资巨大、设备复杂,参与的主体往往是跨组织和部门的科研团队。(3)效益具有间接性,大科学项目建成后要通过长时间的稳定运行、不断发展和持续的科学活动才能实现预定的科学技术目标。(4)具有极强的开放性,国际合作成为常态,大多集中世界各国的资源来共同推进。

二、大科学计划简介

大科学计划一般分为国际大科学工程与国际大科学计划。

国际大科学工程:一般指多国联合出资建造和运行一个新的科学研究装置。科学研究装置所在地即为国际大科学工程的东道国。

国际大科学计划一般分为三类:

(1)由国际组织或多国联合发起,有明确的研究目标或研究范围,要利用国际组织或各国现有的研究设施和研究人员、在国家间或各国科研机构间开展合作的国际研究计划,各国的出资主要支持本国科研机构参与该计划下开展的科研项目

(2)由各国联合出建立基金、科学家自由选题或根据计划的研究范围提出项目申请,通过竟争性评审决定是否提供资助的国际研究计划

(3)以开展联合观测,共享数据为主要内容的国际研究计划

从运行模式来看,大科学研究国际合作主要分为三个层次:科学家个人之间的合作、科研机构或大学之间的对等合作、政府间的合作。大科学对促进各国的基础科学研究具有很大的意义。

大科学计划具有创新性、公共性、风险性、阶段性、持续性和开放性等特点,其设计、建造和运行都围绕重大科学目标展开,目的是“为科学技术发展提供可进行大规模观测、试验、分析的共享操作平台”,以实现前沿领域突破和科学技术发展,占领未来竞争的制高点。

多年以来,美、德、法、俄及欧盟等国家和地区以及国际组织在诸多领域积极组织了数十个大科学计划,携手解决人类社会面临的共同挑战,提升了自身的国际地位和影响,推动了世界科技创新和进步。

大部分国家对参与大科学计划均持积极态度。世界科技强国长期重视科学装置的建设,制订了研究基础设施战略规划(路线图),或体现在国家整体科技发展战略规划之中。与此同时,“二战”以来世界科技强国均投入巨资建设各类大科学装置,并推进“分布式”大科学计划的研究,发挥其对突破重大科学前沿的作用。

在大科学装置方面,欧洲代表性的大科学工程装置有:大型强子对撞机(LHC)、国际热核聚变实验堆(ITER)、欧洲X射线自由电子激光装置(XFEL)、欧洲联合托卡马克核反应堆(JET)和欧洲同步辐射光源(ESRF)等。其中,2012年,大型强子对撞机(LHC)发现了性质很接近标准模型预言的希格斯粒子,这一发现是人类对物质世界认识的一个里程碑。此外,国际热核实验堆计划(ITER)已经成为世界上各热核聚变实验装置的核心,稳态、高约束运行模式相关重点物理及控制研究都取得了显著成果。

作为世界头号科技强国,美国一直走在国际大科学研究的前沿,引领世界科学研究的发展趋势。例如,美国能源部(DOE)承担了美国大多数最先进、最大规模的大科学装置建设,包括相对论重离子对撞机(RHIC)、直线加速器相干光源(LCLS)、散裂中子源(SNS)等。此外,还有日本β介子工厂KEKB、20多个国家参与的平方公里阵列射电望远镜(SKA)等,也为世界粒子物理和天体物理领域做出了突出贡献。

在大科学计划方面,各发达国家或国际组织均着力于将各国科学家联合起来,开展“分布式”的前沿研究。大科学计划的数量虽不及大科学工程多,但其作为大科学项目的一种重要的组织形式,正逐步成为未来大科学项目组织实施的主要组织形式。例如,人类基因组计划(HGP)、全球气候研究计划(WCRP)、国际地圈-生物圈计划(IGBP)、全球环境变化的人文因素计划(IHDP)、国际海洋发现计划(IODP)、全球生物多样性信息网络计划(GBIF)、人类蛋白质组计划(HPP)等,对地学、生物学等人类前沿领域的发展均发挥了重要作用。

三、大科学计划中国发展情况

改革开放以来,以发展中国家的身份,我国重点地选择参与国际大洋发现计划、人类基因组计划、国际热核聚变实验堆计划、国际地球观测组织和平方公里阵列射电望远镜等一些国际大科学计划和大科学工程,我国在基础理论研究、重大关键技术突破等方面逐步实现了由学习跟踪向并行发展的转变。与此同时,相继启动建设了同步辐射光源、全超导托克马克核聚变实验装置、500米口径球面射电望远镜等数十个国家重大科技基础设施,积极探索以我国为主的国际合作。

党的十八届五中全会指出要“积极提出并牵头组织国际大科学计划和大科学工程”,2018年3月,国务院发布了《积极牵头组织国际大科学计划和大科学工程方案》,提出的总体目标:

通过牵头组织大科学计划,在世界科技前沿和驱动经济社会发展的关键领域,形成具有全球影响力的大科学计划布局,开展高水平科学研究,培养引进顶尖科技人才,增强凝聚国际共识和合作创新能力,提升我国科技创新和高端制造水平,推动科技创新合作再上新台阶,努力成为国际重大科技议题和规则的倡导者、推动者和制定者,提升在全球科技创新领域的核心竞争力和话语权。

并制订近期、中期与远期目标:

• 近期目标:到2020年,培育3—5个项目,研究遴选并启动1—2个我国牵头组织的大科学计划,初步形成牵头组织大科学计划的机制做法,为后续工作探索积累有益经验。“

• 中期目标:到2035年,培育6—10个项目,启动培育成熟项目,形成我国牵头组织的大科学计划初期布局,提升在全球若干科技领域的影响力。

• 远期目标:到本世纪中叶,培育若干项目,启动培育成熟项目,我国原始科技创新能力显著提高,在国际科技创新治理体系中发挥重要作用,持续为全球重大科技议题作出贡献。

2019年科技部发布了国家重点研发计划“战略性国际科技创新合作”重点专项2019年度牵头组织国际大科学计划和大科学工程培育项目申报指南。培育项目主要支持的活动包括科学目标的凝练和前期研究、国内外研究团队的组织、项目的国际磋商宣介,以及项目组织、管理和运行机制的设计等。项目指南支持的领域方向与经费为:

• 2019 年度支持宇宙演化和空间、地球系统与环境气候变化、健康、能源、农业、物质科学领域的培育项目。

• 共拟支持经费15000 万元人民币,支持培育项目数为 3~5 个,实施周期2~5 年。

国内多个单位正在联合组织申请国际大科学计划,相关情况汇总介绍如下:

1. 三极环境与气候变化国际大科学计划。

“三极环境与气候变化”计划的总体目标就是构建三极环境与气候天空地冰海一体化观测系统,揭示三极多圈层环境与气候变化机理,预测、预估三极与全球气候环境的未来,为应对气候变化、保障极地安全、构建人类命运共同体提供科技支撑。

2. 深时数字地球国际大科学计划

“深时数字地球大科学计划”(Deep-timeDigital Earth,简称DDE)将在大数据驱动下重建地球生命、地理、物质和气候的演化,进而达到精确重建地球和生命演化历史、识别全球矿产资源与能源的宏观分布规律。并将通过这一计划,为全球数百万研究人员和科技专业用户提供一个跨越科学领域和国家的虚拟科研环境,使其能够存储、共享和使用科研数据。

3. 全球干旱生态系统国际大科学计划

全球干旱生态系统国际大科学计划(GlobalDryland Ecosystem Programme Global-DEP)是由傅伯杰院士和Mark Stafford Smith博士共同倡导发起的国际合作计划,它的科学目标是制定一项涵盖全球干旱生态系统优先研究领域和关键科学问题的科学计划和执行计划,为干旱生态系统研究提供全球合作平台。

4. 国际子午圈大科学计划

国际子午圈大科学计划是一个多层圈耦合、多学科交叉,通过研究空间天气事件演化规律实现全球防震减灾目的的大科学计划。国际子午圈计划的推广实施将对人类命运共同体建设发挥积极的作用。

5. 化学地球国际大科学计划

"化学地球"是绘制地球化学元素图谱,将元素周期表上所有化学元素的含量和分布绘制在地球上,持续记录全球化学元素的含量与分布、基准与变化等科学数据,通过基于互联网的“化学地球”平台,实现对全球地球化学大数据管理、展示和查询,支撑全球自然资源与环境可持续发展,为政府决策提供科学依据,为社会提供公共服务。

6. 全球岩溶动力系统资源环境效应国际大科学计划

“全球岩溶动力系统资源环境效应”国际大科学计划是由国土资源部中国地质调查局提出实施的重大国际科技行动。该计划将以地球系统科学和岩溶动力学理论为指导,建立全球岩溶环境监测网络,研究和查明全球不同岩溶动力系统类型的碳、水、钙循环规律和资源环境效应,突破岩溶关键带资源环境科学问题的瓶颈,创新岩溶资源勘探开发和岩溶环境治理与保护科学技术体系,创建全球岩溶资源环境信息平台,各国共绘全球岩溶一张图,为人类提供全球岩溶公共服务信息,为不同类型岩溶地区资源可持续利用和岩溶环境治理与保护提供科学依据。该计划的实施,对于推动岩溶领域国际合作及重大科技创新,促进全球岩溶资源的可持续利用和环境的可持续发展具有巨大意义。

7. 人类表型组国际大科学计划

“人类表型组计划”成为生命科学领域又一战略制高点。“人类表型组计划”的开展,将全面解读人类生命密码所需的关键信息。“人类表型组计划”将系统解答基因与表型之间的具体关系和内在机制,将有助于实现疾病预防,并提出针对性的健康维护方案。将通过国际合作项目来推动,目标就是组织发起“人类表型组”国际大科学计划。

中国提出并牵头国际大科学计划,将为解决世界性重大科学难题贡献中国智慧、提出中国方案、发出中国声音。

参考文献:

https://www.britannica.com/science/Big-Science-science

http://www.gov.cn/zhengce/content/2018-03/28/content_5278056.htm

张晓.大科学计划和大科学工程:携手解决人类共同难题[J].国际人才交流,2019(09):6-7.

贺福初.大科学引领大发现时代[J].国防,2019(01):5-9.

王续琨,张春博.试论大科学工程的基本特征和社会功能[J].山东科技大学学报(社会科学版),2017,19(04):1-8.

王玲.国际大科学计划和大科学工程实施经验及启示[J].全球科技经济瞭望,2018,33(02):33-39.

周小林,任孝平,武思宏,南方,杨云.我国大科学研究的现状与关键因素[J].科技智囊,2020(01):19-24.

https://blog.marketresearch.com/what-is-big-science-and-why-are-so-many-companies-investing-in-it

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