中國基礎科學研究到底處于什么水平？院士道破了真相！
來源：微信公眾號“瞭望智庫”（ID：zhczyj）、文：王貽芳（中國科學院院士），本文為瞭望智庫原創(chuàng)文章，不代表平臺立場，僅供交流分享，如需轉(zhuǎn)載請在文前注明來源瞭望智庫（ID：zhczyj）及作者信息，否則將嚴格追究法律責任。
近幾年，“基礎科學”被提得越來越多，不僅國務院發(fā)布了《關于全面加強基礎科學研究的若干意見》，各企業(yè)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(wǎng)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(xiàn)，很多人逐漸認識到加強基礎科學研究對國家發(fā)展的重大意義。當然，對基礎科學缺乏了解、認為其沒什么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于什么水平？我們耗時耗力研究基礎科學真的值得嗎？我們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(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩模式，被《科學》雜志列為當年全球十大科學突破。（本文根據(jù)訪談內(nèi)容綜合整理。）
中國曾因不重視基礎科學吃了大虧
什么是基礎科學？我認為基礎科學應該具有三方面的特征：
1.有一定的規(guī)律性，反映了自然界的基本規(guī)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，比如牛頓力學并不能教你怎么蓋房子，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(nèi)部還有層次性，比如很多領域里雖然有獨有的基礎研究，但是都離不開數(shù)學，所以數(shù)學在基礎研究里更為基礎。
（圖;片來源：veer圖庫）
很多人經(jīng)常問“基礎科學看起來離我們生活非常遠，好像沒什么實際用處”，這種想法有些急功近利。我們無法說出某個方程、某個定律有什么具體的用途，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么用，但如果把這塊磚抽掉，房子就會坍塌。
包括物理學在內(nèi)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(fā)展和利用它。換句話說，基礎研究是社會發(fā)展的最根本動力。當然，這些是不能即刻帶來經(jīng)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(chuàng)新能力的提高、人才的培養(yǎng)、對技術的推動和發(fā)展等。
中國古代雖有四大發(fā)明、也有 “勾股定理”等發(fā)現(xiàn)，但我們只停在了“發(fā)現(xiàn)”階段，并沒有進一步發(fā)展出抽象的、純粹的科學。
鴉片戰(zhàn)爭失敗后，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(zhàn)爭中失敗了，為什么?
如果沒有掌握科學規(guī)律，人們就不能舉一反三，只能單純就事論事，那么就永遠擺脫不了落后的命運。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，以至于中國很多科學名詞都是從日本傳來的。
所以從根本上來說，科學應該是主干，技術是主干上發(fā)展出來的枝葉，沒有科學只去做技術，最終可能什么也得不到。
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(yè)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么用，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(chǎn)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(xiàn)在，醫(yī)院臨床所用核磁共振設備中就采用了超導磁鐵。
Tevatron粒子加速器（圖片來源：必應圖庫）
還有伴隨我們生活的萬維網(wǎng)，很少有人知道，它是誰發(fā)明的，實際上萬維網(wǎng)也是在高能物理研究過程中產(chǎn)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(shù)據(jù)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(fā)明的E-mail（電子郵件），顯然它已經(jīng)不能滿足科學家頻繁交流的需求了，于是，歐洲核子研究中心的計算機科學家Tim·Berners-Lee開發(fā)出了世界上第一個網(wǎng)頁瀏覽器，架設了第一個網(wǎng)頁服務器，推動了萬維網(wǎng)的產(chǎn)生，促進了互聯(lián)網(wǎng)應用的迅速發(fā)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(jié)出一整套推理的方法，而弗朗西斯?培根之后又有了實證科學，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，在我國經(jīng)常會出現(xiàn)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(jù)支持。如果能通過發(fā)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(jīng)濟發(fā)展起來并有一定的基礎后，就會發(fā)展藝術、音樂、文學以及科學，人們這時就會仰望天空，探索世界是怎么回事、宇宙的根本構(gòu)成，我們?yōu)槭裁磥?、將來到什么地方去？這些探索讓我們永遠有動力追求未知。
中國的基礎科學在世界上是什么水平？
1.怎么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(xiàn)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(shù)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(jīng)典的基礎研究，它們會永遠流傳下去，比如，現(xiàn)代物理學繞不開愛因斯坦的相對論，不可能不用量子力學。
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?qū)戇M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(jīng)過多年努力，中國的科技水平如今已經(jīng)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發(fā)達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。
近幾年有媒體報道說，在國際上，中國的科技論文被引用數(shù)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(xiàn)在能被國際同行認可并引用，算是跨越了一個很大臺階。
我們國家善于集中力量辦大事，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。
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(guī)模和人員上，我們跟國際上還有相當差距。我們國家必須產(chǎn)生更多的重大成果，而不僅僅是一般成果，這才是質(zhì)的轉(zhuǎn)變！而質(zhì)的轉(zhuǎn)變不可能一蹴而就，必然要經(jīng)歷這樣一個路徑：從幾乎為“零”開始到出現(xiàn)大批一般成果，然后才是重大成果。
3. 怎樣實現(xiàn)從“零”到有的轉(zhuǎn)變呢？
首先要擺正心態(tài)，不能急功近利，更不能揠苗助長。
基礎科學具有規(guī)律性，需要經(jīng)過幾代、十幾代甚至幾十代人的共同努力，我們要遵循其發(fā)展規(guī)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(xù)接力。值得開心的是，現(xiàn)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(fā)展離不開人才。人才怎么來呢？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(nèi)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，但有了知識并不代表就有創(chuàng)新能力，創(chuàng)新需要有方法并在實踐中鍛煉，大學老師不但要教給學生知識，更重要的是教授方法并給學生“練”的機會，知識會過時，但方法永遠不會！
對于基礎科學，最需要的就是培養(yǎng)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(yǎng)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(qū)”，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(chuàng)新性才能提高。
除此之外，基礎科學發(fā)展也離不開國家的經(jīng)費投入。
在我國的研發(fā)經(jīng)費里面，基礎研究的經(jīng)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于基礎科學研究的經(jīng)費實在是少的可憐?，F(xiàn)在我國一些重點研究所、重點大學的基礎研究經(jīng)費已經(jīng)能達到國際水平，而在10多年前，這可能連發(fā)達國家的十分之一都不到，40多年前，大概只有發(fā)達國家的百分之一。
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后于發(fā)達國家，而現(xiàn)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(jīng)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(chǎn)生科學知識、而不只是消費西方產(chǎn)生的科學知識的時候，我們的原始性創(chuàng)新、顛覆性創(chuàng)新，就會源源不斷地產(chǎn)生出來了。
均衡支持基礎研究 發(fā)展大科學裝置
談到經(jīng)費投入，很多人可能會問：基礎研究領域眾多，對國家來說，怎么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(fā)展。
對于一個國家特別是大國來說，在基礎科學方面一定要均衡發(fā)展，每個領域都要得到持續(xù)的支持。經(jīng)費投入的研究很復雜，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(fā)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(tǒng)計學這樣一門學科會對今天的人工智能發(fā)展起到大作用，如果當時覺得沒用就不發(fā)展統(tǒng)計學，那今天別人都在發(fā)展人工智能時，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(xiàn)在的基因科學都跟這些學科有關。
熱點過段時間后可能就過時了，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(xiàn)在美國一大半的科研經(jīng)費都用于生命科學的研究，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(fā)展生命科學，而不是發(fā)展物質(zhì)科學。
（圖;片來源：人民網(wǎng)）
這種想法存在很大問題。在基礎科學研究方面，國外已經(jīng)走過的路，我們是很難避開或繞過去的。雖然美國現(xiàn)在大部分的精力在做生命科學，但他們是從探索物質(zhì)科學的路上走過來的，如果我們跳過了物質(zhì)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(jié)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(zhì)科學。而我國目前各種科學儀器主要依靠進口，反映了物質(zhì)科學研究水平及人才不足的缺陷，需要大大加強。
為什么物質(zhì)科學的研究會跟儀器設備有關系呢？
在美國，很多儀器設備是商業(yè)公司研制出來的。在研制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(chuàng)新方面的人才，學校是很難培養(yǎng)，必須要在科學儀器設備的研制過程中培養(yǎng)。而進行物質(zhì)科學研究，關注自研設備包括大科學裝置的建設，就是培養(yǎng)設備研制人才的一種最好途徑。
從上世紀五十年代開始，美國就開始研制大科學裝置，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(yè)，比如說著名的示波器公司LeCroy（力科），其創(chuàng)始人LeCroy之前是一位高能物理的工程師，長期研發(fā)高能物理專用的讀出電子學。最后他成立了自己的公司，專注于高速和復雜信號測試設備。
現(xiàn)在世界上最好的儀器設備都是國外企業(yè)做的，所以他們研究生命科學的條件很優(yōu)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(zhì)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(nèi)的工業(yè)發(fā)展并無助益，同時還會受制于人。
所以中國現(xiàn)在應該大力發(fā)展物質(zhì)科學，特別要關注自研設備，包括大科學裝置（注：大科學裝置是指通過較大規(guī)模投入和工程建設來完成，建成后通過長期的穩(wěn)定運行和持續(xù)的科學技術活動，實現(xiàn)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(wèi)星、天文望遠鏡等，具有確定的科學目標，應用范圍廣泛，投入規(guī)模大，技術先進，可以產(chǎn)出重大成果，對學科發(fā)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(yǎng)，企業(yè)技術水平與研發(fā)能力的提高等，因此在國家創(chuàng)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(xiàn)得尤為明顯。
單就高能物理領域來說，與發(fā)達國家相比，我們總體上處于“并跑”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(shù)對比上也能看出來，我們的研究人員人數(shù)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，基本上是采用國際已有的成熟技術。可以想象，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?shù)南拗啤?
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(jīng)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(guī)模將數(shù)倍于目前世界上最大、能量最高的粒子對撞機——建于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(chuàng)新性自然可以實現(xiàn)。
（圖;源片來：中青在線）
2012年希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，是國際高能物理發(fā)展的轉(zhuǎn)折點，使我們有可能規(guī)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(jīng)濟實力發(fā)展的時機。二十年前，這樣大規(guī)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(tǒng)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(xiàn)這些目標的能力，這里面至少會涉及二三十個技術門類，最后哪怕有一個螺絲釘沒擰好，整個系統(tǒng)就可能出問題。加速器轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)分析，所以又有人工智能、大數(shù)據(jù)、計算機、網(wǎng)絡等領域參與進來，更不用說背后還有財務、計劃、管理、采購等一整套的后勤保障系統(tǒng)。
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(zhàn)”，這種規(guī)模的科學研究體現(xiàn)的就是國力。
建這樣一個大型設備，能培養(yǎng)出機械、電子、真空、微波等各個領域的創(chuàng)新人才，這里面會有大批科學家、工程師解決大量的技術需求，這些需求很多都是從未出現(xiàn)的，如果能解決，這些人才就是“從無到有”的創(chuàng)新人才。
所有的技術發(fā)明和科學成果，最先發(fā)現(xiàn)的人肯定是有一定的優(yōu)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(fā)展的大國。
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