http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2017-12-0
编者按
近日，依据《国家科技创新基地优化整合方案》，科技部、发改委、财政部联合制定《“十三五”国家科技创新基地与条件保障能力建设专项规划》（以下简称《专项规划》），明确提出全面推进以国家实验室为引领的国家科技创新基地与科技基础条件保障能力建设。这意味着，在经过17年试点筹建后，我国国家实验室建设有望在“十三五”期间有所突破。为支撑这一重大举措顺利实施，国家实验室的重要性和作用需要系统认识。更紧迫的是，国家实验室在宏观和微观上的管理，在国家科研体系中的定位，在国家科技创新基地中的位置，需要系统思考。本版特约请国家高端智库——中国科学院专家，从战略发展角度提出咨询建议。
党的十九大报告指出，加强国家创新体系建设，强化战略科技力量。完成这一发展使命，国家实验室可发挥中坚力量。2015年11月，习近平总书记在《关于〈中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议〉的说明》中明确指出，要加快建设以国家实验室为引领的创新基础平台；并强调，我国科技创新已步入以跟踪为主转向跟踪和并跑、领跑并存的新阶段，急需以国家目标和战略需求为导向，瞄准国际科技前沿，布局一批体量更大、学科交叉融合、综合集成的国家实验室，优化配置人财物资源，形成协同创新新格局。
我国自2000年试点筹建国家实验室已有17年，由于建设的复杂性，国家实验室目前仍处于研究、设计和论证阶段。2017年11月23日，筹建多年的6个国家实验室转而获批组建国家研究中心。在此背景下，需要进一步明确国家实验室在国家科研体系中的功能、作用以及管理机制。
建设国家实验室是实现科技强国梦的必然选择
国家实验室主要围绕国家使命，从事基础性和战略性科研任务，通过多学科交叉协助，解决事关国家安全和经济社会发展全局的重大科技问题。《专项规划》指出，国家实验室是体现国家意志、实现国家使命、代表国家水平的战略科技力量，是面向国际科技竞争的创新基础平台。建设国家实验室有助于提升我国战略性和前瞻性科技能力，强化科技竞争力和话语权，是我国实现科技强国梦的必然选择。
集中科技资源干大事
建设国家实验室，有利于突破我国跨部门或机构科研合作的障碍，充分发挥我国科技体制优势，集中多方优势资源，组织完成战略性的国家重大科技任务。如，我国正在运行的青岛海洋科学与技术国家实验室是依托中国海洋大学、中国科学院海洋研究所、国家海洋局第一海洋研究所、中国水产科学研究院黄海水产研究所、中国地质调查局青岛海洋地质研究所等5家单位联合共建，力求实现资源优势互补，自2015年10月启用以来，已攻关多项重大海洋科技难题，在我国海洋强国建设中发挥了重要支撑作用。国家实验室不仅能集聚大量的国内外专业优秀人才，还能以重大科研攻关为纽带，调动和吸引全球优质科技资源，成为综合前沿的科研网络核心。
优化科技资源配置与使用
我国科技资源（人才、平台、经费和数据等）管理仍存在配置重复、缺乏统筹、技术设备和数据缺乏共享等问题，造成科技资源浪费。中国科学院院士程津培曾指出，我国目前的基础研究主要分布在中科院和研究型大学，以依托在各个院校所的200多家国家重点实验室为主要代表，但现有研发结构尚缺乏能够在更高层次上组织学科交叉，能够协同创新攻克战略性、瓶颈型等重大科学问题的能力，机构之间缺乏协同是一个重要原因。国家实验室有利于聚焦国家重大发展问题，被寄望于可跨部门和机构协调、整合和优化各类优质科技资源，推进科技资源开放共享，改善科技产出效率和质量。
提升国家科技创新能力
国家实验室的科研活动定位较高，瞄准国际科技前沿，攻克事关国家核心竞争力和经济社会可持续发展的核心技术，是彰显国家科技实力和创新能力最理想的科技平台。习近平总书记指出，我国同发达国家的科技经济实力差距主要体现在创新能力上。提高创新能力，必须夯实自主创新的物质技术基础，加快建设以国家实验室为引领的创新基础平台。中国科学院院长白春礼表示，中国逐步将国家实验室打造成聚集国内外一流人才的高地，形成代表国家水平、国际同行认可、在国际上有重要影响的科技创新实力，成为国家重要战略创新力量。例如：2017年9月在杭州未来科技城“人工智能小镇”成立的之江实验室，旨在积极争创网络信息国家实验室，打造具有全球影响力的信息经济科创中心；同月在上海成立的张江实验室，目标是到2030年跻身世界一流国家实验室行列，专注生命科学、信息技术以及交叉科学的重大科技攻关问题。
国家实验室在主要发达国家已发挥重要作用
国家实验室（在有的国家以中心或研究所命名）是美、英、德等世界主要科技强国科研体系的重要组成部分、科技竞争力的核心力量、重大科技成果产出的重要载体。
美国已形成比较完善的国家实验室系统，在国防、航空航天、能源等领域作出巨大贡献，逐步成为支持国家科技创新的持续力量、基础研究成果的摇篮。如始建于1931年的劳伦斯伯克利国家实验室，至今已产生13位诺贝尔奖获得者和约80位美国科学院院士。
英国拥有一批世界著名的国家实验室，如卡文迪许实验室、国家物理实验室以及英国国家海洋学中心等。其中，卡文迪许实验室自1874年创立至今，产生了28位诺贝尔奖获得者。
德国的国家实验室致力于服务国家和社会的长期发展目标，由18个研究中心组成的德国亥姆霍兹联合会是其中突出代表。该联合会有明确的国家任务导向，致力于为经济、科技和社会的重大难题寻找关键解决方案，多年来为德国的科技发展作出了重大贡献。
以国家实验室为核心优化我国科研体系
我国科技创新取得了举世瞩目的成就，但仍存在科研体系“大而不强”、科研主体缺乏统筹协同等问题。建设国家实验室将是优化我国科技体系和科技制度的重要举措。建设国家实验室不是另起炉灶，而是整合和优化现有的优势科技资源，实现我国科技人才、平台、经费和数据等科技资源的合理分配和科学使用。《专项规划》提出了明确的建设思路：突出国家意志和目标导向，采取统筹规划、自上而下为主的决策方式，统筹全国优势科技资源整合组建。建议从以下维度推进落实：
宏观上，制定可有效统筹和提高运作效率的国家实验室管理体制机制。
清楚认识科学化管理在国家实验室论证、建设、管理和评估阶段的重要作用，加强顶层设计。可在国家层面建立中央直属的国家实验室办公室，在国家实验室建设中理顺国家、部门和地方以及部门、国家实验室和依托单位的关系，打破体制机制束缚，统筹相关资源，并在国家实验室动态调整与有序退出中发挥积极的协调作用。地方上成立相应支撑组织或部门，有效统筹地方资源支持国家实验室建设。管理上充分借鉴国际经验，可尝试委托高校、研究所、企业、基金会等第三方机构管理运营；建立专业的评估制度，引入第三方评估机构对国家实验室的整体运行情况进行评估。
微观上，赋予国家实验室在科技发展方向与科技资源使用方面的自主权。
强化国家实验室在微观的科研体系建设与优化中的主导能力和作用，赋予其充分自主权，激活国家科研体系活力。充分利用国家实验室的前沿优势，提高国家实验室在微观科技发展方向布局以及科技决策和资源配置中的话语权，促进科技发展与政策制定紧密结合，提高政策的有效性与前沿性。这样有利于缩短科技决策的时间周期，快速抢先布局科技战略；有利于让科学家有效参与或支撑科技决策，优化科技资源配置，改善科技创新体系治理。此外，要充分发挥市场的决定性作用，在中央统筹和地方支持下，强化国家实验室管理单位的独立地位，使其更客观地在国家实验室的运作与科技决策中发挥积极作用。
横向上，紧密围绕发展需求构建国家实验室的产学研支撑体系。
国家实验室要充分利用产学研合作的模式，发挥企业在市场运营、高校在人才培养、科研机构在科研活动上的优势，形成多方合作共赢的协同创新模式。国家实验室应与大学、企业以及其他科研机构进行紧密结合，形成功能上的补充机制、成果上的共享机制以及人才上的流动机制，提升科研体系的整体效能。在国家宏观层面上建立协调机制，确立国家实验室在产学研科技创新合作中的主导地位，便于国家实验室利用科技资源进行攻关研究。
纵向上，构建以国家实验室为引领的多层、协同型国家科研体系。
要厘清国家实验室与现有科技创新基地的功能关系，按照国家科技发展需求进行调整和整合，推进我国科研体系优化，提高效能。在具体操作中，避免科技平台体系庞杂、相互交叉、不断扩张，管理部门众多、各管一块、各管一段等问题，加强顶层设计，强化统筹考虑。纵向上有效利用科学与工程研究、技术创新与成果转化、基础支撑与条件保障等三类科技创新基地的资源和优势，促进资源互补和功能联动，提升国家科研体系的整体效能。构建以国家实验室为引领的国家科研体系，改善我国目前科研基础体系结构不清晰、功能定位重复、资源缺乏共享等不足，形成以国家实验室为核心，布局合理、定位清晰，多层次、功能互补的协同型国家科研体系。
（作者：陈凯华，系中国科学院科技战略咨询研究院副研究员；于凯本，系国家深海基地管理中心高级工程师。本研究获“青岛海洋科学与技术国家实验室鳌山科技创新计划项目［2016ASKJ11］”资助）
[中科网]
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大国重器——中国暗物质“捕手”后来居上
PandaX-Ⅲ计划示意图，目标是测量“氙136的无中微子双贝塔衰变”。
新华社发
【科学向未来】
日前，暗物质粒子探测卫星“悟空”发表了首篇科学论文，打开了暗物质观测的新窗口。其实，在暗物质探测领域，我国不仅在空间探测上有所作为，地面探测也可圈可点——中国暗物质探测实验“熊猫计划”（PandaX）获得的数据，多次成为当年世界最好结果。在位于四川凉山彝族自治州的锦屏山下，在覆盖着2400多米岩石的极深地下，科学家们正在捕捉暗物质存在的最直接证据，不断刷新对暗物质粒子性质的限制纪录，为人类探索自然界奥秘贡献中国力量。
2400米深的中国四川锦屏山山体内，中国首个极深地下实验室里的大型暗物质探测器日夜运转。
“如果把探测器中的原子比作一片树林，暗物质粒子则是成群结队飞奔而来、呼啸而过的兔子，难免有一只或几只不长眼的家伙迎头撞死在某棵树下，被农夫捕获。”上海交通大学鸿文讲席教授、“熊猫计划”（PandaX）项目负责人季向东为我们讲述锦屏山深地隧道中正在进行的PandaX。
从2014年3月23日取数到今天，PandaX已连续运行三年零六个月。2016年、2017年的两年间，PandaX发布的数据都是当年全世界最好的探测结果。“不断地改进仪器的灵敏度，有一天我们可能会探测到暗物质。对暗物质性质的研究，将使人类认知产生一个飞跃。”季向东说，“即便有一天我们探测不到暗物质，对暗物质的研究终将刷新人类对于世界的认知。”
地心“熊猫”的诞生
科学家认为，人类的身边游离着数量众多的暗物质，看不见、摸不着，总量大约是常规世界物质的6倍。过去十多年，许多科学家穷尽各种实验方法，试图与占据宇宙质量85%的暗物质“接触”。这是全世界公认的人类21世纪最重要的科学问题之一，所有的实验合作组都期望率先发现暗物质粒子的信号。
2009年以前，中国本土的暗物质研究还是一片空白。改变始于锦屏山。2008年8月8日，北京奥运开幕当天，锦屏山交通配套隧道贯通。得知这一消息的物理学家们兴奋了，他们敏锐地感到，中国缺乏开展暗物质研究条件的历史，或许将被改写。
2009年3月17日，季向东第一次来到锦屏山。那时锦屏山隧道刚贯通半年多，洞壁一直在冒水。穿着长雨靴，深一脚浅一脚，季向东进了隧道。那天，一行共7人，现任上海交通大学校长的林忠钦院士带队，还有清华大学、中科院、美国普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校的几位教授。
站在隧道中间，头顶上是厚达2400多米的山体。整条隧道70%以上的部分，埋深大多在1500米以下。在极深的地下，绝大多数宇宙射线被隔离，岩层越厚，屏蔽效果越好，实验环境也越纯净，隧道岩层所含的放射性之低也出乎意料——锦屏山底是暗物质探测的绝佳宝地。
兴奋，激动，热望，在泥浆满地的煤黑色隧道中央，雅砻江流域水电开发有限公司和清华大学共建中国首个极深地下实验室，“PandaX”计划随之起步。
季向东说，起名“熊猫计划”，一来锦屏山所在的四川是熊猫的家乡，二来也是一个有趣的巧合——“粒子和天体物理氙探测器”（Particle AND Astrophysical Xenon Detector）的英文简写里本来就有这几个字母。实验原理是用提纯的惰性元素氙（Xe）作为“靶子”来寻找暗物质，由上海交通大学牵头，国内多个合作单位包括北京大学、山东大学、中科院上海应用物理研究所、中山大学、中国科学技术大学、中国原子能科学研究院和雅砻江流域水电开发有限公司等共同参与。
PandaX项目的出现，对世界上液氙暗物质直接探测领域进行了“重新洗牌”——这一领域最有影响力的实验主要是在意大利Gran Sasso国家地下实验室进行的XENON暗物质实验、美国南达科他州的大型地下氙项目LUX，以及中国锦屏山实验室的PandaX项目。早在2014年Pandax项目取得首个结果时，《科学》杂志就以《探索暗物质，中国团队迎头赶上》为题，进行了报道。
与世界“赛跑”
暗物质粒子与普通物质之间极有可能存在微弱的相互作用，物理学家通过探测这种作用来寻找暗物质。
今年8月，季向东在美国举行的2017年度国际高能粒子天体物理大会上，宣布了PandaX项目合作组最新暗物质探测实验结果，再次刷新对暗物质粒子性质限制的世界纪录。这是PandaX继2016年7月发布580公斤级探测仪的首个探测结果后，第二次发布国际最灵敏暗物质探测结果。
季向东介绍，PandaX实验用氙原子作为“靶子”，探测弥散在地球周围的成千上万亿的暗物质粒子可能碰撞到氙原子上而发生的微弱光电信号。“我们把氙气高度提纯，在-100℃的低温下使它成为液体，制作成液氙探测器。在首个PandaX实验中，使用了一个由聚乙烯、铅及高纯铜组成的100吨屏蔽体屏蔽掉山洞岩石的放射性，研发了一个120公斤级的液氙探测器。”季向东说，所有的实验过程都是“摸着石头过河”，没有现成的经验，遇到了很多意想不到的困难，这一路都是在不断的失败和尝试中走过来的。
理论上讲，“森林”里的“树”越多，捕获“兔子”的可能性就越大。在2014年完成120公斤级“熊猫一期”探测仪的基础上，PandaX合作组自主研制了580公斤的“二期”探测仪。后者是目前国际上最大的暗物质直接探测仪器之一，也是灵敏度更高、“树木”更多的“密林”。2016年7月21日晚，在英国举行的两年一度的国际暗物质大会上，季向东向全球同行公布了PandaX二期液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果，在每天3.3万公斤的曝光量下，未发现暗物质粒子踪迹，对可能的暗物质候选对象得出了最新限制。这一探测的灵敏度处于当时世界最高水平。
随后的一年里，PandaX二期合作组对该探测仪进一步降低噪音，并进行了长时间运行，使探测器对暗物质和普通物质相互作用的探测灵敏度提高了3倍多。为了尽快发布探测结果，上海交通大学刘江来教授带领多位研究人员通宵达旦工作，发布的探测结果再一次刷新对暗物质粒子性质限制的世界纪录。
三支“国家队”共探“幽灵粒子”
“尽管我们目前还没有发现暗物质的踪迹，但这些实验结果使暗物质的轮廓越来越清晰，我们正处在发现暗物质的边缘。”季向东表示。
在锦屏山的隧道中央，清华大学牵头的CDEX研究计划也在持续进行，他们选择了高纯度锗作为“靶子”，提出利用极低能量阈高纯锗探测器探测较低质量范围的暗物质粒子的研究计划。
2015年12月，由紫金山天文台暗物质与空间天文研究部和中国科技大学、中科院兰州近代物理研究所、中科院高能物理研究所等合作研发的暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空，标志着中国正式进入暗物质空间探测领域。如今，“悟空”正在陆续产出科研成果。
这三个项目是目前中国暗物质探测的主要科研团队。在与世界“赛跑”的同时，中国的暗物质“捕手”后来者居上，不断刷新“世界纪录”，领跑暗物质探测的国际前沿。
“中国的三支暗物质探测队伍虽然使用了不同的探测途径，但都在各自实验的基础上取得了非常好的成果。”季向东说，“在未来的时间里，PandaX项目打算进行4吨级液氙探测器探测实验，甚至联合世界科学家进行30吨级液氙探测器的大型实验，一步一步将实验向前推进，相信会有乐观的结果产生。”
“暗物质研究的意义非常重大，中国的科学家有能力为人类探索未知宇宙做出自己的努力。”季向东说。
（本报记者 颜维琦 本报通讯员 江倩倩）
[中科网]