白春礼谈推进科技自立自强:加强基础研究,从根子上掌握关键核心技术

来源 | 财经网     

2021年11月27日 14:14  

本文8855字,约13分钟

“加强基础研究,从根子上掌握关键核心技术,是科技自立自强的必然要求。”11月27日,中国科学院原院长、中国科学院院士白春礼在第十九届《财经》年会“《财经》年会2022:预测与战略”上表示。

中国科学院原院长、中国科学院院士白春礼

白春礼介绍,1945年,美国人范内瓦·布什发布《科学—无尽的前沿》,将基础研究描绘为没有明确应用背景、以好奇心所驱动的科学研究,并提出了“基础研究—应用研究—产品开发—生产经营”的科学研究线性模型。布什的报告存在一定争议和讨论,主要是对基础研究不考虑实用目的、基础研究与应用研究分离以及线性模型观点的争议。20 世纪80年代以来,各国政府主动引导学术研究与产业发展需求相接轨,在国家创新体系的框架下将基础研究与国家战略及产业发展密切结合起来。在国家目标的指引下,基础研究的内涵得到了丰富,应用基础研究成为各国政府关注的焦点。

他认为,当前,基础研究前沿呈现不断向宏观拓展、向微观深入的趋势和特征。向宏观拓展是追寻宇宙起源演化的脚步。宏观宇宙学的研究焦点主要是“两暗一黑三起源”,其中“两暗”是指暗物质、暗能量;“一黑”是指黑洞;“三起源”是指宇宙起源、天体起源和宇宙生命起源。这些方面一旦取得重大突破,就将使人类对宇宙的认识实现重大飞跃,可能引发新的物理学革命。向微观深入是探究物质世界和生命的终极奥秘。对微观粒子及其新物态的研究不断深入,粒子标准模型取得了巨大成功,探索超出标准模型的新物理已成为当今物理学界最重要的目标之一。

对于如何加强基础研究推进科技自立自强,白春礼指出,一是鼓励自由探索,通过自由探索产出从无到有、“从0到1” 的原创性成果。比如,近期,中科院天津工生所从二氧化碳人工合成淀粉的成果引起了广泛的关注,有网友将此比作空气变馒头。这是国际上第一次不需要依赖植物光合作用,评价认为 “该工作除了对减少粮食需求压力之外,人工合成淀粉过程中“抓”住的二氧化碳,就可以进一步挖掘潜力,为碳达峰碳中和做出更大贡献”,“工业制造淀粉在工业经济中意义重大”。

二是高度重视数据积累对基础研究的推动作用,超前布局相关科研数据采集工程。基于海量数据的处理和计算,可以发现传统研究方式下很难发现的新规律、新现象,数据驱动的“第四科研范式”正在加速兴起。在这方面,中科院进行了一些探索,例如2018年设立A类战略性先导科技专项“地球大数据科学工程”, 2019年和2020年,专项组织撰写的《地球大数据支撑可持续发展目标报告》连续作为中国政府的正式文件,由国家领导人在第74届和75届联合国大会发布,引起了国际社会热烈反响。

三是有效发挥企业在基础研究中的作用。2020年我国研发投入已达2.4万亿元,其中基础研究经费投入1467亿元,占6%。这也是近年来基础研究经费占比首次达到占6%,但主要靠政府财政经费投入,企业投入严重不足。近年来,我国一些行业排头兵企业,逐渐重视基础研究。例如,华为有十万多研发人员,2020 年研发支出超过 1400 亿元。

四是进一步完善基础研究绩效评价体系。基础研究是长期潜心钻研的高级思维活动,往往具有周期长、难度大,高风险、高回报等特点,要进一步完善与之相适应的保障、评价和激励机制,尊重学科和领域差异性,尊重不同学科人才的成长规律,让‘板凳甘坐十年冷’的专注得到更多支持和奖励。

五是紧紧围绕国家重大需求,优化组织模式、推进创新主体协同合作。当前,我国基础研究与经济社会需求结合不紧密,各创新主体主动协同不够,从基础研究到应用研究和产业化的通道还不够畅通。应围绕国家重大需求,优化组织模式,积极支持高校、科研院所与行业骨干企业联合组建创新联盟,合作开展相关基础研究和关键共性技术研发,促进技术、人才等创新要素在高校、科研院所和企业间有序流动,带动原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新能力的不断提升。

六是要弘扬科学家精神,加强科技创新人才培养。新时代要继承发扬以国家民族命运为己任的爱国主义精神和以爱国主义为底色的科学家精神,把自己的科学追求融入到国家现代化建设的伟大事业中。同时要适应学科交叉融合发展趋势,推动基础学科领域和信息、生物、材料等前沿领域的跨学科联合培养,造就一大批有发展潜力、有创新思维、有全球视野,能够引领未来科技发展的青年科技人才。

以下为部分发言实录:

各位来宾,女士们、先生们:

大家上午好。很高兴参加今年的《财经》年会,和各界人士一道展望2022年全球和中国经济、社会、科技发展趋势,共同探讨大变局时代中国与全球发展的机遇和挑战。

当前,新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起,科学探索加速演进,学科交叉融合更加紧密,一些基本科学问题孕育重大突破。从历史上看,基础研究在历次科学革命和工业革命中都发挥了先导作用,基础研究的重大理论突破引发了科学革命,推动了技术革命和产业变革,进而影响和改变了世界发展的历史和格局。

党中央、国务院高度重视基础研究工作。习近平总书记多次对加强基础研究作出重要指示批示,强调基础研究是整个科学体系的源头,是所有技术问题的总机关,是科技自立自强的必然要求,是我们从未知到已知、从不确定性到确定性的必然选择,为加强基础研究指明了战略方向,提供了根本遵循。

因此,准确把握基础研究的内涵、前沿发展态势及新规律新特点,对于推进科技自立自强,建设世界科技强国具有重要意义。我今天的报告,围绕基础研究谈几点认识和思考,与大家交流探讨。

一、基础研究的内涵及其前沿发展态势

关于基础研究的概念和内涵,1945年,美国人范内瓦·布什发布《科学—无尽的前沿》,将基础研究描绘为没有明确应用背景、以好奇心所驱动的科学研究。布什认为基础研究导致新知识,最终不可避免地导致新的应用,因此是技术进步的先行者,并提出了“基础研究—应用研究—产品开发—生产经营”的科学研究线性模型。布什的报告深刻地影响了美国乃至世界各国科学技术政策的制定和国家科技战略目标的方向,报告中提到的由政府设立国家科学基金来资助科学研究这一举措,有力地促进了基础研究的全面发展。它使得美国迅速摆脱对于欧洲基础研究以及科研人才的依赖,一定程度上成就了美国今日的科技强国地位。当然,布什的报告也存在一定争议和讨论,主要是对基础研究不考虑实用目的、基础研究与应用研究分离以及线性模型观点的争议。

20 世纪80年代以来,各国政府主动引导学术研究与产业发展需求相接轨,在国家创新体系的框架下将基础研究与国家战略及产业发展密切结合起来。在国家目标的指引下,基础研究的内涵得到了丰富,应用基础研究成为各国政府关注的焦点。1997年,普林斯顿大学教授斯托克斯在“纯基础研究”概念的基础之上,提出了“科学研究的象限模型”。他的模型是一个二维的坐标体系,横轴是该项科学研究在多大程度上是面向应用的,纵轴为该项研究在多大程度上是面向认识世界的。这样,左上方的象限代表的是纯粹由好奇心驱动的基础研究,称为波尔象限;右上方的象限代表的是既受好奇心驱动又面向应用的基础研究,称为巴斯德象限;右下方的象限代表的是纯粹面向应用的研究,称为爱迪生象限。应用基础研究,一方面以基础研究的理论成果的应用、转化为己任,充当从基础研究到应用技术研究以至开发研究的桥梁;另一方面,又从应用技术研究、开发研究中引入新的共性问题,把生产实践中存在的共性问题上升为理论,开展必要的新理论和新知识的探索,丰富和深化基础研究工作的内涵。

诺贝尔奖获得者李政道先生,曾作过一首打油诗“基础科学清如水,应用科学生游鱼,产品科学鱼市场,三者缺一不可。以没有水就没有鱼也就没有鱼市场来说明基础科学的地位。

当前,基础研究前沿呈现不断向宏观拓展、向微观深入的趋势和特征。向宏观拓展:追寻宇宙起源演化的脚步;宏观宇宙学的研究焦点主要是“两暗一黑三起源”,其中“两暗”是指暗物质、暗能量;“一黑”是指黑洞;“三起源”是指宇宙起源、天体起源和宇宙生命起源。这些方面一旦取得重大突破,就将使人类对宇宙的认识实现重大飞跃,可能引发新的物理学革命。

向微观深入:探究物质世界和生命的终极奥秘;对微观粒子及其新物态的研究不断深入,粒子标准模型取得了巨大成功,探索超出标准模型的新物理已成为当今物理学界最重要的目标之一;量子调控成为当前物质科学与信息技术的重要前沿,理论和实验手段的进步,使微观物质结构研究开始从“观测时代”走向“调控时代”,也为能源、材料、信息等产业发展提供新的理论基础和技术手段,作为量子调控领域最重要的应用方向,量子通信、量子计算和量子精密测量是当前的研究热点,国际竞争非常激烈;对生物大分子和基因的研究进入精准调控阶段,分子生物学、基因组学、合成生物学等领域成果不断涌现,全面提升了人类对生命的认知、调控和改造能力。

此外,随着探测技术的发展,对深海深空深地等未知区域的探索,也成为当前基础科学研究的热点。近年来,我国在这些领域取得巨大进展。

我这里举1个深海科学探测的例子,2020年11月10号,中科院作为主要单位参与研制的中国首艘万米级载人潜水器“奋斗者号”下潜深度达到10909米,在马里亚纳海沟成功坐底,再一次刷新了中国载人深潜纪录。“奋斗者号”关键技术和设备的国产化率已达到 96%以上。载人舱、浮力材料、锂电池、推进器、海水泵、机械手、液压系统、声学通信、水下定位、控制软件等十大关键部件都实现了国产,且性能可靠。从科学角度看,探索深海能够帮助人类深入了解海洋的奥秘、地球的奥秘;水深超过2000米的深海,占据地球表面的3/5,海底还是距离地球内部最近的地方,大陆地壳平均35Km厚,大洋地壳则为7Km,揭示板块运动的规律、窥探地球内部的真相等,都要到深海底部进行探索;深海科学研究也有望在药物研发等方面取得重大突破。

去年春节前,我搭乘“深海勇士号”在南海下潜至水下1400米,开展了8个多小时科学实验,亲身经历了科学家在海底开展科学实验的过程,印象非常深刻。说实话在下潜之前,我没有想到海底科学考察会如此繁忙,我们潜水器里有3个人,1名潜航员和2名科学家,要完成一系列科学样品采集,以及首次无人潜水器和载人潜水器海底交汇联合作业的任务。预定工作时长8小时,时间到了之后,因没有完成既定科研任务又申请延长了半小时,在此期间,工作紧张而忙碌,我们甚至连聊天的时间都没有。

二、当前基础研究需要重点关注的方面

习近平总书记在今年的两院院士大会和中国科协十大上指出,“基础研究要勇于探索、突出原创,推进对宇宙演化、意识本质、物质结构、生命起源等的探索和发现,拓展认识自然的边界,开辟新的认知疆域。基础研究更要应用牵引、突破瓶颈,从经济社会发展和国家安全面临的实际问题中凝练科学问题,弄通‘卡脖子’技术的基础理论和技术原理”。

基础研究是对未知世界的科学探索,从现代基础研究发展规律和我国基础研究工作的现状来看,以下几个特点需要重点关注和准确把握。

一是好奇心驱动的自由探索研究与目标任务导向的应用基础研究相结合。基础研究所面对的科学问题,包括科学自身发展和经济社会发展“两个来源”,开展基础研究的目的,已逐步从单纯满足科学家深化对自然现象和规律认识的兴趣,转向更加注重服务于人类社会发展和国力竞争的需要。

二是学科交叉成为基础研究重大突破的方向,学科均衡协调发展是实现重点跨越的科学基础。当代科技发展日新月异,研究对象的复杂性不断增强,现代科学研究领域不断细分和融合,许多学科之间的边界变得越来越模糊。以学科为单位的研究正在突破彼此的边界,各学科正在以科技前沿问题为导向重新聚合,学科间交叉融合、相互渗透的趋势日益明显。据统计,21世纪以来的诺贝尔奖成果中,具有学科交叉研究特征的占比达到40%以上,特别是诺贝尔化学奖,2001年以来的获奖成果中约三分之二具有学科交叉特征,因而也被戏称为“诺贝尔理综奖”。比如2017年诺贝尔化学奖颁给开发冷冻电镜技术的三位物理学家,被网上评价为“一个发给了物理学家的诺贝尔化学奖,奖励他们帮助了生物学家”。

三是基础研究的组织化程度越来越高,重大理论发现和科学突破越来越依赖于重大科技基础设施等科研条件的支撑。重大科技基础设施成为做出重大原创成果、实现关键核心技术突破、抢占科技竞争制高点的利器,也是全面体现国家综合实力和科技创新能力的重要标志。据统计,20世纪以来诺贝尔物理学奖中有20余项是依托重大科技基础设施取得的。100多年来诺贝尔物理学奖的成果,大概1950年以前,只有1项是来自于重大科技基础设施的。到1970年以后,就有超过40%是来自于重大科技基础设施,比如天文望远镜、科学卫星、加速器等。到了1990年以后,这个比例高达48%,近20年来,国际上用同步辐射研究蛋白质大分子结构的成果大约平均每3年就获得1次诺贝尔奖。

近年来,我国布局建设了500米口径球面射电望远镜(FAST)、散裂中子源、P4实验室、上海光源、全超导托卡马克核聚变装置(EAST)等一批具有世界先进水平的重大科技基础设施,将为基础前沿研究提供有力的支撑,其中中科院建设运行了33个,占全国总量的近60%。近期,中科院“高海拔宇宙线观测站”(LHAASO,位于四川省稻城县海子山,海拔4410米)取得2项重要成果,第1项是记录到1.4拍(拍=千万亿)电子伏特的伽马光子,这是人类观测到的最高能量光子,比普通的伽马光子要大几十亿倍,由此确定在大约仅为太阳系1/10大小的星云核心区内存在能力超强的电子加速器,有助于进一步解开宇宙射线的奥秘,在发现宇宙线起源的研究进程上具有里程碑意义。第2项是精确测量了蟹状星云的亮度,在更宽的能量范围内为超高能伽马光源测定了新标准。蟹状星云是人类探测天体亮度的参照标尺,被科学家称作“标准烛光”,可以帮助科学家了解天体与地球间的距离。LHAASO的研究成果将标尺能量图谱上限由300万亿电子伏拓宽到了1100万亿电子伏。

三、加强基础研究,是推进科技自立自强的必然要求

党的十八大以来,我国科技创新事业取得历史性成就,发生历史性变革,重大创新成果竞相涌现,一些前沿领域开始进入并跑、领跑阶段,科技实力正在从量的积累迈向质的飞跃,从点的突破迈向系统能力提升。

但客观来讲,我国的科技创新水平与国家经济社会发展的要求相比,与世界科技先进水平特别是与美国相比,还有较大差距。比如基础研究方面,我国SCI科技论文篇均被引次数只有10次/篇左右,低于世界篇均被引次数(12.61次/篇);在国际最有影响的诺贝尔科学奖获奖者中,美国有300多位,日本21世纪以来约有20位获奖,而我国只有1位由于在本土的工作获奖。在战略高技术方面,我们还面临很多关键核心技术的制约。

习近平总书记深刻指出,我国面临的很多“卡脖子”技术问题,根子是基础理论研究跟不上,源头和底层的东西没有搞清楚。基础研究阶段形成基础理论、申请基本性专利、确定技术路线,完成这条思路的技术和工艺就是核心技术。因此,加强基础研究,从根子上掌握关键核心技术,是科技自立自强的必然要求。我们一定要加强基础学科建设,强化学科深度交叉融合,从经济社会发展的重大需求中发现重大科学问题,从科学原理、问题、方法上集中进行攻关,为创新提供源源不断的源头活水。

下面我就如何加强基础研究,推进科技自立自强谈一些思考和体会。

一是鼓励自由探索,通过自由探索产出从无到有、“从0到1” 的原创性成果。加强“从0到1”的基础研究,开辟新领域、提出新理论、发展新方法,取得重大开创性的原始创新成果,是国际科技竞争的制高点。2018年出台的《国务院关于全面加强基础科学研究的若干意见》提出,突出原始创新,促进融通发展。2020年,科技部、发改委、教育部、中科院、自然科学基金委联合印发《加强“从0到1”基础研究工作方案》。近年来,我国陆续取得一些原创性成果,但离实现科技自立自强的要求,仍存在一定差距。

什么是“从0到1” 的原创性成果。比如,近期,中科院天津工生所从二氧化碳人工合成淀粉的成果引起了广泛的关注,有网友将此比作空气变馒头。这是国际上第一次不需要依赖植物光合作用,而是采用人工手段,将自然的代谢过程重新拆解、组装,以二氧化碳、水和氢能为原料,生产出了人工的淀粉。目前,淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产,合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控,理论能量转化效率仅为2%左右。在该研究中,天津工生所从头设计出11步主反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,向设计自然、超越自然目标的实现迈进一大步,为创建新功能的生物系统提供了新科学基础,是典型的从0到1的原创性成果。评价认为 “该工作除了对减少粮食需求压力之外,人工合成淀粉过程中“抓”住的二氧化碳,就可以进一步挖掘潜力,为碳达峰碳中和做出更大贡献”,“工业制造淀粉在工业经济中意义重大”。当然该成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有一段距离,后续还需要尽快实现从“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的转换,最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。

二是高度重视数据积累对基础研究的推动作用,超前布局相关科研数据采集工程。基于海量数据的处理和计算,可以发现传统研究方式下很难发现的新规律、新现象,数据驱动的“第四科研范式”正在加速兴起。在这方面,中科院进行了一些探索,例如2018年设立A类战略性先导科技专项“地球大数据科学工程”, 2019年和2020年,专项组织撰写的《地球大数据支撑可持续发展目标报告》连续作为中国政府的正式文件,由国家领导人在第74届和75届联合国大会发布,引起了国际社会热烈反响;此外,专项有望在资源环境、海洋、三极、生物多样性等领域取得重大突破。

三是有效发挥企业在基础研究中的作用。2020年我国研发投入已达2.4万亿元,其中基础研究经费投入1467亿元,占6%。这也是近年来基础研究经费占比首次达到占6%,但主要靠政府财政经费投入,企业投入严重不足。据统计,美国企业基础研究支出约占全社会的 28%,而我国仅占2. 9%,仍存在较大差距。近年来,我国一些行业排头兵企业,逐渐重视基础研究。例如,华为有十万多研发人员,2020 年研发支出超过 1400 亿元,任正非同志也多次呼吁加强基础研究。

四是进一步完善基础研究绩效评价体系。基础研究是长期潜心钻研的高级思维活动,往往具有周期长、难度大,高风险、高回报等特点,要进一步完善与之相适应的保障、评价和激励机制,尊重学科和领域差异性,尊重不同学科人才的成长规律,让‘板凳甘坐十年冷’的专注得到更多支持和奖励。

五是紧紧围绕国家重大需求,优化组织模式、推进创新主体协同合作。当前,我国基础研究与经济社会需求结合不紧密,各创新主体主动协同不够,从基础研究到应用研究和产业化的通道还不够畅通。应围绕国家重大需求,优化组织模式,积极支持高校、科研院所与行业骨干企业联合组建创新联盟,合作开展相关基础研究和关键共性技术研发,促进技术、人才等创新要素在高校、科研院所和企业间有序流动,带动原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新能力的不断提升。

六是要弘扬科学家精神,加强科技创新人才培养。新时代要继承发扬以国家民族命运为己任的爱国主义精神和以爱国主义为底色的科学家精神,把自己的科学追求融入到国家现代化建设的伟大事业中。同时要适应学科交叉融合发展趋势,推动基础学科领域和信息、生物、材料等前沿领域的跨学科联合培养,造就一大批有发展潜力、有创新思维、有全球视野,能够引领未来科技发展的青年科技人才。

以上,我对加强基础研究,推进科技自立自强做了一些初步探讨。加强基础研究是事关我国发展全局的战略性问题,认真学习贯彻习近平总书记和中央领导同志关于基础研究的重要指示批示精神,持之以恒加强基础研究,努力产出一批具有世界影响的重大原创成果,突破一批满足国家战略需求的关键科学问题和核心技术,培养一批基础研究领军人才和优秀青年人才,才能充分发挥基础研究对科技创新的源头供给和引领作用。我相信,科技界将与社会各界一道,锐意进取、开拓创新,加快实现科技自立自强,为现代化国家建设提供更有力的科技支撑。

我的报告就到这里。谢谢大家!

(嘉宾观点据现场发言整理,未经发言人本人确认)

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