科學也可以如此靠近

中科院院士:中國基礎科學研究在世界上到底什麼水平?

3月
27
2019

2019年3月27日18時 今日科學 觀察者網

觀察者網

據中國科學院官方科普平台「科學大院」)3月27日消息,近幾年,「基礎科學」被提得越來越多,不僅國務院發布了《關於全面加強基礎科學研究的若干意見》,華為、阿里、騰訊等知名企業也紛紛加大了對基礎科學研究的投入。

(圖片來源:央視、澎湃等網絡截圖)

隨著中國載人飛船、月球探測、量子通信等科技成果的逐漸顯現,很多人逐漸認識到加強基礎科學研究對國家發展的重大意義。當然,對基礎科學缺乏了解、認為其沒什麼實際用處的也大有人在。

中國基礎科學研究在世界上到底處於什麼水平?我們耗時耗力研究基礎科學真的值得嗎? 大院er就此專訪了中國科學院院士、中國科學院高能物理所所長王貽芳。

中國科學院院士、中科院高能物理所所長王貽芳(圖片來源:必應圖庫)

王貽芳院士是首位獲得「基礎物理學突破獎」的中國科學家,2012年,他領導的大亞灣反應堆中微子實驗發現新的中微子振蕩模式,被《科學》雜誌列為當年全球十大科學突破。

(本文根據訪談內容綜合整理。)

中國曾因不重視基礎科學吃了大虧

什麼是基礎科學?我認為基礎科學應該具有三方面的特徵:

1.有一定的規律性,反映了自然界的基本規律;

2.不能直接應用到實際中,但是它是解決實際問題的基本原理,比如牛頓力學並不能教你怎麼蓋房子,這是土木工程需要解決的問題,但是牛頓力學是土木工程的基礎;

3.基礎科學內部還有層次性,比如很多領域裡雖然有獨有的基礎研究,但是都離不開數學,所以數學在基礎研究里更為基礎。

(圖片來源:veer圖庫)

很多人經常問「基礎科學看起來離我們生活非常遠,好像沒什麼實際用處」,這種想法有些急功近利。
我們無法說出某個方程、某個定律有什麼具體的用途,但是整個科學體系是自洽的,基礎研究就像蓋房子所需的一塊塊磚頭,雖然你不知道某一塊磚有什麼用,但如果把這塊磚抽掉,房子就會坍塌。

包括物理學在內的基礎研究是為了讓我們認識自然界,如果我們不了解自然,就沒有辦法發展和利用它。換句話說,基礎研究是社會發展的最根本動力。當然,這些是不能即刻帶來經濟效益的。它帶來的更多是短時間不能見效的東西,包括科研水平的提高,即創新能力的提高、人才的培養、對技術的推動和發展等。

中國古代雖有四大發明、也有 「勾股定理」等發現,但我們只停在了「發現」階段,並沒有進一步發展出抽象的、純粹的科學。而早在古希臘時期,西方就出現了幾何學、邏輯學等科學,然後通過邏輯推理髮展出一整套科學體系。

鴉片戰爭失敗後,中國打開大門向西方學習,引進了大量西方技術,購買槍炮,但北洋艦隊還是在甲午戰爭中失敗了,為什麼?

如果沒有掌握科學規律,人們就不能舉一反三,只能單純就事論事,那麼就永遠擺脫不了落後的命運。當時我們只認為學習西方的技術才是有用的,而沒有把西方的科學體系引進到中國來。相比之下,日本在明治維新時期不僅買槍、買炮,同時還引進了西方的科學,比中國早幾十年建立起了完整的科學體系,以至於中國很多科學名詞都是從日本傳來的。

所以從根本上來說,科學應該是主幹,技術是主幹上發展出來的枝葉,沒有科學只去做技術,最終可能什麼也得不到。

基礎科學水平提升 歐美國家的崛起

回看世界歷史,歐美國家的崛起也無不與其基礎科學水平的提高有關。

沒有熱力學、牛頓力學以及麥克斯韋的電磁學等科學作為基礎,兩次工業革命根本無從談起。只知道燒煤的人是沒法做出蒸汽機的,必須要有熱力學理論的支撐。不把電磁學搞清楚,也不可能有電的應用,如果你去問麥克斯韋他的電磁學方程有什麼用,他可能沒法想到我們今天享受的科技成就與此有關,包括電和電器都是他奠定的基礎。

拿高能物理領域來說,在研究過程中產生過很多意想不到的新技術。比如上一代美國最大的加速器「Tevatron」,給我們帶來了超導磁鐵技術的突破與普及,現在,醫院臨床所用核磁共振設備中就採用了超導磁鐵。

Tevatron粒子加速器(圖片來源:必應圖庫)

還有伴隨我們生活的全球資訊網,很少有人知道,它是誰發明的,實際上全球資訊網也是在高能物理研究過程中產生的。

1989年,歐洲的物理學家建設了大型強子對撞機來尋找希格斯粒子,而科學家之間需要相互交流大量的數據和程序,這成為了一個重大的問題。過去,交流依靠的是美國軍方發明的E-mail(電子郵件),顯然它已經不能滿足科學家頻繁交流的需求了,於是,歐洲核子研究中心的計算機科學家Tim·Berners-Lee開發出了世界上第一個網頁瀏覽器,架設了第一個網頁伺服器,推動了全球資訊網的產生,促進了網際網路應用的迅速發展。

歐洲核子研究中心(圖片來源:https://news.cnblogs.com/n/180532/)

不僅如此,基礎科學還給西方帶來了科學的方法論。科學的方法論有兩個:一是邏輯推理,二是歸納。古希臘以來,人們總結出一整套推理的方法,而弗朗西斯•培根之後又有了實證科學,西方的科學體系就是建立在歸納推理以及實證等根本支柱上。

目前,在我國社會缺乏科學的方法論,所以經常會出現一些違背科學的言論與事件。比如很多人相信各種「大師」們的言論,卻沒有用科學的思維問一下是不是真的合理、有沒有證據支持。如果能通過發展基礎科學,讓更多人掌握科學的方法論,整個社會將更進一步。

除此之外,還有很重要的一點是,基礎科學研究是文明的一部分。

國家經濟發展起來並有一定的基礎後,就會發展藝術、音樂、文學以及科學,人們這時就會仰望天空,探索世界是怎麼回事、宇宙的根本構成,我們為什麼來、將來到什麼地方去?這些探索讓我們永遠有動力追求未知。

(圖片來源:視覺中國)

中國的基礎科學在世界上是什麼水平?

1. 怎麼評價一個國家基礎科學水平的高低呢?

基礎科學研究的重要性就體現在它對整個科學領域的影響,一個國家有影響力的基礎研究成果越多,這個國家的基礎科學水平就越高。

如何判斷基礎研究的成果有沒有影響力?看看我們的教科書就會明白。

無論學的是數學、物理還是化學,無論是在中學、大學還是研究生階段,教科書里都會寫到一些用科學家名字命名的基礎研究成果,這些就是最經典的基礎研究,它們會永遠流傳下去,比如,現代物理學繞不開愛因斯坦的相對論,不可能不用量子力學。

(圖片來源:視覺中國)

當然,還有一些研究成果是被論文引用較多的,雖然也有較強的影響力,但跟寫進教科書相比還是差點。到目前為止,我國已有的這些重大科學成果能夠寫進教科書的幾乎沒有。

2. 中國古往今來的基礎科學的水平

前面也提到,中國古代沒有建立起基礎科學的體系,所以中國的基礎科學基本就是從「零」開始,經過多年努力,中國的科技水平如今已經在世界高科技領域占有一席之地了。但因為起步較晚,中國基礎科學研究跟歐美的已開發國家還存在一定差距,教科書中也很少有用中國人名字命名的公式、定理等。

近幾年有媒體報導說,在國際上,中國的科技論文被引用數排到了第二。這是科技進步的反映,畢竟30多年前中國在國際上有一定影響力的基礎科學研究很少,現在能被國際同行認可並引用,算是跨越了一個很大台階。

我們國家善於集中力量辦大事,所以我們能夠看到某個領域突然冒頭,但總體看來依舊是薄弱的。像高能物理領域,其中北京正負電子對撞機,大亞灣中微子實驗、江門中微子實驗這些成績,無論是科學還是技術的,使得我們基本上站在國際的平均水平。

但我們還要清醒地認識到,中國基礎科學研究還有很長的路要走,我們只是某個項目在國際上取得了領先的地位,但若要說整個高能物理,從規模和人員上,我們跟國際上還有相當差距。我們國家必須產生更多的重大成果,而不僅僅是一般成果,這才是質的轉變!而質的轉變不可能一蹴而就,必然要經歷這樣一個路徑:從幾乎為「零」開始到出現大批一般成果,然後才是重大成果。

3. 怎樣實現從「零」到有的轉變呢?

首先要擺正心態,不能急功近利,更不能揠苗助長。

基礎科學具有規律性,需要經過幾代、十幾代甚至幾十代人的共同努力,我們要遵循其發展規律。

很多搞基礎科學研究的科學家,隨著年齡增長可能很難再出新成果,這就需要下一代人才的繼續接力。值得開心的是,現在中國做基礎科學研究的人才隊伍更加壯大,國際交流更加密切,與老一輩科學家相比,年輕一代科學家在國際上的影響力有了很大提升。

其次就是人才,基礎科學的發展離不開人才。
人才怎麼來呢?先從教育開始。

一所好大學一定有非常強的基礎科學實力,無論清華、北大等國內名校,還是國外名校,都是如此。很多大學實力不強,說到底還是基礎研究能力不足。很多大學老師只會教學生基本的知識,但有了知識並不代表就有創新能力,創新需要有方法並在實踐中鍛鍊,大學老師不但要教給學生知識,更重要的是教授方法並給學生「練」的機會,知識會過時,但方法永遠不會!

對於基礎科學,最需要的就是培養學生「從無到有」的方法論,要讓他們學會做前人未做過的事,這跟培養工程師的思路是不一樣的。基礎科學承擔的任務基本處在「無人區」,都是需要思考別人沒解決的問題。有了更多掌握「從無到有」方法論的人,我們社會的整體創新性才能提高。

(圖片來源:視覺中國)

除此之外,基礎科學發展也離不開國家的經費投入。

在我國的研發經費裡面,基礎研究的經費比例偏低,只占5%左右,其中包括基礎性研究和應用基礎研究,和美國相比,我們國家過去三十年真正用於基礎科學研究的經費實在是少的可憐。現在我國一些重點研究所、重點大學的基礎研究經費已經能達到國際水平,而在10多年前,這可能連已開發國家的十分之一都不到,40多年前,大概只有已開發國家的百分之一。

用別人百分之一的錢,還要做得比別人好,這根本不可能。所以,之前的很多年,我國的基礎科學研究落後於已開發國家,而現在5%的水平,只能夠維持跟跑世界先進水平,但如果我國有未來引領基礎科學研究的雄心,就必須加大經費投入。只有大幅度增加基礎研究的投入,才能在根本上解決這個問題。到了我們成為了能夠產生科學知識、而不只是消費西方產生的科學知識的時候,我們的原始性創新、顛覆性創新,就會源源不斷地產生出來了。

均衡支持基礎研究 發展大科學裝置

談到經費投入,很多人可能會問:基礎研究領域眾多,對國家來說,怎麼判斷在哪些項目上投得多一點,哪些投得少一點?

其實最基本的原則就是要均衡支持,不能因為某個領域是冷門就不支持,某個領域是熱門就死命支持,從而影響了全面發展。

對於一個國家特別是大國來說,在基礎科學方面一定要均衡發展,每個領域都要得到持續的支持。經費投入的研究很複雜,一般需要政府管理部門進行非常精準的專門研究,組織各領域的專家進行研討,參照國際做法及整個國家基礎科學發展的歷史來敲定。

而均衡支持要注意兩個問題。

一是不要以「是否有用」來判斷。

基礎科學的領域,一個都不能廢棄。20多年前,沒人會想到統計學這樣一門學科會對今天的人工智慧發展起到大作用,如果當時覺得沒用就不發展統計學,那今天別人都在發展人工智慧時,我們就傻眼了。還有很多年前,有些人認為動物學、植物學是「死掉的科學」,但現在的基因科學都跟這些學科有關。

熱點過段時間後可能就過時了,盲目地集中投入研究資金也會造成過剩。

二是不能盲目跟風。

現在美國一大半的科研經費都用於生命科學的研究,超過一半的院士都在從事生命科學研究,所以有的人覺得我們也應該大力發展生命科學,而不是發展物質科學。

(圖片來源:人民網)

這種想法存在很大問題。在基礎科學研究方面,國外已經走過的路,我們是很難避開或繞過去的。雖然美國現在大部分的精力在做生命科學,但他們是從探索物質科學的路上走過來的,如果我們跳過了物質科學階段,直接參與到生命科學的競爭中,就會帶來一個很嚴重的結果:只能買國外的儀器設備。無論哪個學科,研究過程中都離不開各種儀器。這些儀器的基礎是物質科學。而我國目前各種科學儀器主要依靠進口,反映了物質科學研究水平及人才不足的缺陷,需要大大加強。

為什麼物質科學的研究會跟儀器設備有關係呢?

在美國,很多儀器設備是商業公司研製出來的。在研製儀器的過程當中需要兩個條件,一個是需求,一個是人才。這其中人才尤為重要,但儀器創新方面的人才,學校是很難培養,必須要在科學儀器設備的研製過程中培養。而進行物質科學研究,關注自研設備包括大科學裝置的建設,就是培養設備研製人才的一種最好途徑。

從上世紀五十年代開始,美國就開始研製大科學裝置,如今五六十年過去了,在這個過程中孵化了很多儀器設備企業,比如說著名的示波器公司LeCroy(力科),其創始人LeCroy之前是一位高能物理的工程師,長期研發高能物理專用的讀出電子學。最後他成立了自己的公司,專注於高速和複雜信號測試設備。

現在世界上最好的儀器設備都是國外企業做的,所以他們研究生命科學的條件很優越。但我們中國很多實驗室的設備基本都是進口的,說明我們物質科學的基礎還很薄弱。如果我們只做生命科學的研究,就要大量進口儀器設備,導致資金外流,對國內的工業發展並無助益,同時還會受制於人。

所以中國現在應該大力發展物質科學,特別要關注自研設備,包括大科學裝置(註:大科學裝置是指通過較大規模投入和工程建設來完成,建成後通過長期的穩定運行和持續的科學技術活動,實現重要科學技術目標的大型設施),我們需要在技術和科學目標上都領先的大科學裝置,而不是跟隨美國的腳步。

北京正負電子對撞機(圖片來源:https://baike.sogou.com/v224241.htm)

大科學裝置中的基礎科學專用裝置,比如我國的正負電子對撞機、聚變堆、專用空間科學衛星、天文望遠鏡等,具有確定的科學目標,應用範圍廣泛,投入規模大,技術先進,可以產出重大成果,對學科發展具有重大的引領和帶動作用,還有一些溢出效應如重大技術的積累、突破和推廣應用,國際合作與技術引進,關鍵技術人才的培養,企業技術水平與研發能力的提高等,因此在國家創新體系的建設中占有突出的位置。

基礎科學的競爭也是國力的競爭

基礎科學的競爭也是國力的競爭,這在高能物理領域表現得尤為明顯。

單就高能物理領域來說,與已開發國家相比,我們總體上處於「並跑」和「跟跑」的水平,與美國、歐洲、日本等相比都有一定的差距。這一點從研究人數對比上也能看出來,我們的研究人員人數與美國相比大概只是其十分之一,跟歐洲比大概是其五分之一,跟日本比可能是其二分之一到三分之一。

美國的大科學裝置總體來說是從上世紀50年代開始建設,高峰在2000年左右,這50多年的投入、建設、運行等,給他們帶來了巨大收益,很多非常重要的技術成果在社會上得到了廣泛應用。

跟他們相比,我們的北京正負電子對撞機起步較晚,技術上也不是國際領先,基本上是採用國際已有的成熟技術。可以想像,一個科學上、技術上不是最領先的裝置,自然在技術的輻射能力方面會有相當的限制。

20世紀80年代,建設中的北京正負電子對撞機(圖片來源:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/11/420228.shtm)

所以,如果要想有所謂國際領先的、重大的技術突破,能夠輻射到社會、對國民經濟有重大作用,科學裝置本身必須是先進的、別人沒有的,否則早就被別人輻射完了。我們希望未來有一個高能物理的裝置走在歐美前面,這也是我們提出建立「超級對撞機」的原因。如果最終建成,其規模將數倍於目前世界上最大、能量最高的粒子對撞機——建於歐洲核子研究中心的大型強子對撞機LHC,科學目標和技術創新性自然可以實現。

(圖源片來:中青在線)

2012年希格斯粒子的發現,是國際高能物理髮展的轉折點,使我們有可能規劃這樣一個加速器。這是科學上的時機,技術上的時機,也是國家經濟實力發展的時機。二十年前,這樣大規模的裝置想都不敢想,更不可能有錢來做。

高能物理這個系統比較龐大,要想做到國際領先首先要有高遠的科學目標,這樣的目標很多國家都有,但是都會面臨重重困難。所以接下來比拼的就是實現這些目標的能力,這裡面至少會涉及二三十個技術門類,最後哪怕有一個螺絲釘沒擰好,整個系統就可能出問題。加速器轉起來還要放探測器,就像顯微鏡的鏡頭一樣,可以看到整個過程,從而進行數據分析,所以又有人工智慧、大數據、計算機、網絡等領域參與進來,更不用說背後還有財務、計劃、管理、採購等一整套的後勤保障系統。

要把整個團隊凝合起來,奔向同一個目標,這是包含成百上千人的「團隊作戰」,這種規模的科學研究體現的就是國力。

建這樣一個大型設備,能培養出機械、電子、真空、微波等各個領域的創新人才,這裡面會有大批科學家、工程師解決大量的技術需求,這些需求很多都是從未出現的,如果能解決,這些人才就是「從無到有」的創新人才。

所有的技術發明和科學成果,最先發現的人肯定是有一定的優勢。如果只是享受別人的成果,那你就是一個「土豪」,既不能得到大家尊重,也不會很好地掌握知識,也很容易就被別人逐出圈外,奪走財富。而掌握了最前沿的基礎科學知識,自然就會有最前沿的技術,從而成為引領全球科技發展的大國。


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