BBC:五大科學(xué)項目,預(yù)示中國科研的崛起
2016-06-28 來源:科研圈

撰文 麗貝卡·莫雷爾
編譯 楊晨
審較 秦子雯
中國的科學(xué)研究正在蓬勃發(fā)展。從建造迄今為止世界上最大的實驗場所,到大規(guī)模推廣最新醫(yī)學(xué)進展,甚至將探索的疆域從海洋最深處延伸至外太空——中國的科學(xué)愿景宏遠(yuǎn)廣大。
僅僅幾十年前,這個國家在全球科學(xué)界還沒有什么地位;如今,中國的科研經(jīng)費和論文發(fā)表數(shù)量只排在美國之后。
盡管發(fā)展迅速,中國仍面臨不少問題。
以下就來談?wù)勚袊奈宕罂茖W(xué)工程,這些工程既展現(xiàn)了中國的雄厚實力,也顯示出其弱點。中國能否領(lǐng)導(dǎo)全球科學(xué)發(fā)展,答案也許就在其中。
最大的射電望遠(yuǎn)鏡

高大陡峭的弧形鏡面反射著耀眼的陽光,四周綿延的群山犬牙交錯般嵌入天空。建筑工人忙著給這個建筑物安裝最后的部件,巨大的背景前他們的身形略顯渺小。他們正在建造人類史上最大、口徑達 500 米的射電望遠(yuǎn)鏡。


彭勃
500 米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-metre Aperture Spherical Telescope,簡稱 FAST,國內(nèi)又稱“天眼”)工程的副經(jīng)理彭勃教授說:“我們中國在天文學(xué)上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界!“以前我們總得用國外的望遠(yuǎn)鏡。我想,現(xiàn)在到了在中國建臺望遠(yuǎn)鏡的時候了。”
FAST 坐落于中國西南部的貴州省,其體型足讓其它同類望遠(yuǎn)鏡相形見絀。
最大射電望眼鏡的上一個全球記錄保持者是位于波多黎各的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡(Aricebo Observatory),它的口徑是 305 米。英國北部卓瑞爾河岸天文臺的洛弗爾望遠(yuǎn)鏡(Lovell telescope)口徑則為 76 米。這場口徑競賽并不簡單粗暴:對于射電望遠(yuǎn)鏡來說,口徑確實越大越好。
有的望遠(yuǎn)鏡(如哈勃太空望遠(yuǎn)鏡)通過可見光來觀測可視宇宙,射電望遠(yuǎn)鏡則更像一只巨大的耳朵,“聆聽”太空深處傳來的無線電。無線電和可見光是電磁波的不同形式。相比可見光,無線電有著極長的波長,范圍從毫米級一直到 100 千米級。這些宇宙信號在太空中傳播了很長的距離,因此變得非常微弱。






望遠(yuǎn)鏡建成后的示意圖


望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)太大,不可能整體移動,所以每塊面板都可以自行調(diào)整角度。這樣,科研人員便可以改變望遠(yuǎn)鏡的鏡面朝向,研究不同的空間區(qū)域。
中科院國家天文臺的南仁東教授策劃了這個巨型項目。他說,這個望遠(yuǎn)鏡是他職業(yè)生涯中最大的挑戰(zhàn)。

南仁東
他解釋說:“貴州還是一個發(fā)展中省份,我們選址又在十分偏遠(yuǎn)的農(nóng)村貧困地區(qū)。所有的重型部件都要經(jīng)過路況不佳的盤山公路,從幾千公里外的工業(yè)區(qū)運進來。”他還說,有時候困難幾乎沒辦法克服,偶爾也想過放棄!安贿^最后我們找到了解決的方法。”FAST 等大科學(xué)項目代表了中國大力發(fā)展科學(xué)研究的決心。中國的研發(fā)支出已經(jīng)在 2013 年超越歐洲,并可能在 2020 年超過美國。
《自然》雜志最新發(fā)布的評估報告顯示,中國的論文發(fā)表數(shù)量位列世界第二,僅次于美國。施普林格·自然科學(xué)出版集團大中華區(qū)總裁劉珺說:“我覺得中國有種緊迫感,我們在過去一百年里沒有做過什么研究,錯失了太多機會。而現(xiàn)在,我們在經(jīng)費投入、社會認(rèn)同以及在科學(xué)發(fā)展中能起到的作用上迎來了黃金時期!
不過,對那些生活在 FAST 腳下的村民來說,這臺望遠(yuǎn)鏡給生活帶來了不好的改變。望遠(yuǎn)鏡周邊五公里的范圍內(nèi)會設(shè)置為無線電靜默區(qū),有報道稱這將影響附近數(shù)千名村民的生活。
區(qū)內(nèi)禁止使用手機、無線網(wǎng)絡(luò)等任何能夠干擾望遠(yuǎn)鏡的物品。政府對愿意搬遷的村民提供補償,不過有些村民并不滿意。一位村民告訴我說,以后當(dāng)?shù)氐纳钐环奖,所以她會很快搬走。另一位村民則說,他支持這個工程,但不滿意賠償金額。他說,這些錢不夠他搬到城里住,所以暫時還會留在這里。
項目科研人員承認(rèn)村民做出了犧牲,但他們希望這個工程也能幫助這片地區(qū)。南仁東說:“它能吸引大批科研人員和游客,且對教育和下一代的培養(yǎng)有好處,也是中國工業(yè)的一個樣板!

豬眼看世界

從豬場開車幾小時就,到了中國歷史最悠久、規(guī)模最大的眼科醫(yī)院:中山眼科中心。中國盲人數(shù)量占世界盲人總數(shù)的五分之一,14 億人口中有大約 800 萬盲人。袁進醫(yī)生一邊忙碌地檢查病房一邊告訴我說,中國的盲人中,有 350 萬到 500 萬人是因為角膜疾病致盲。
角膜受傷或感染之后,如果沒有得到治療,就會導(dǎo)致失明。對大部分病人來說,復(fù)明的唯一希望就是角膜移植,但等待移植的時間相當(dāng)長。
中國的移植器官曾經(jīng)主要來自死刑犯。但在 2015 年,中國政府取消了這項具有爭議的政策,轉(zhuǎn)而鼓勵公民登記,在過世之后捐獻角膜。不過很少有人愿意這么做。袁進解釋說:“中國人的傳統(tǒng)觀念很重,不愿意捐獻角膜。這也是我們?nèi)曛荒苓M行五千例移植手術(shù)的主要原因!
不過今天,他所檢查的病人移植的是豬的角膜。
中國政府在 2015 年批準(zhǔn)了這項實驗性的移植術(shù),目前已進行了約兩百例手術(shù)。五十八歲的吳平貴(音譯)是新近完成手術(shù)的病人之一。他的一只眼睛因為飛蟲鉆入導(dǎo)致感染。他對我說:“我放著傷口沒管,結(jié)果越來越嚴(yán)重,眼睛變紅,又腫又痛!彼侵谎劬ψ罱K失明,他也因此失去保安的工作。如今術(shù)后剛剛一天,他的病眼已恢復(fù)了部分視力。


僅僅三十五年前,深圳還只是一個漁村;如今,它已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新技術(shù)中心。中國再生醫(yī)學(xué)國際有限公司(China Regenerative Medicine International, CRMI)的實驗室就在這里,正是他們開發(fā)了這項角膜移植新技術(shù)。
公司的執(zhí)行董事邵政康博士說:“我們花了十年時間進行研究,試過很多動物:羊、狗、豬、還有牛。我們最終發(fā)現(xiàn),豬角膜的結(jié)構(gòu)和人類角膜非常接近!
實驗室內(nèi)有許多燒瓶,裝著從豬眼睛上摘下來的角膜。這些角膜呈乳白色,很黏,還要進行去細(xì)胞化處理。去細(xì)胞化大體上就是將豬細(xì)胞從角膜上玻璃,移除豬的DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)。

含有豬細(xì)胞物質(zhì)的角膜組織
此時,會引起病人排異反應(yīng)的物質(zhì)都已清理干凈,上面的病毒和細(xì)菌也全部失活,由此避免動物疾病傳染人體。留下來的只有角膜的膠原支架,保持原先的基本形狀。移植之后,病人的細(xì)胞就會占據(jù)其中。邵博士向我展示了像隱形眼鏡一樣的角膜成品。再生醫(yī)學(xué)公司已經(jīng)為這項技術(shù)投入了十億元人民幣。不過邵博士坦言,這種治療方式才剛剛起步。
剝離豬細(xì)胞物質(zhì)后的角膜組織
他說:“這是迥異于傳統(tǒng)治療方式的全新方法。所以推廣到各醫(yī)院、病人和社會上還需要時間!

豬角膜

再生醫(yī)學(xué)公司實驗室
施普林格·自然的劉珺女士說:“我想有些人抱有這樣的觀點,即中國處在科學(xué)前沿,因此極度有野心和精力探索最新的技術(shù)。所以在這樣的大背景下,著手于一個項目前,似乎沒有必要投入時間和精力去討論、分析和完全了解其后果!辈贿^她也說,隨著世界上其他研究者監(jiān)督的日益增加,這一觀念似乎有所改觀。她表示: “中國的科學(xué)研究起步較晚,還需要繼續(xù)發(fā)展和培養(yǎng)科學(xué)倫理的精神!
術(shù)后檢查
吳桂平在醫(yī)院做完了檢查。他的眼睛還有點發(fā)紅,不過在逐漸康復(fù)。他說這次手術(shù)會給人生帶來重大改變,并希望眼睛好點之后能找到一份新的工作。粒子捕手


曹俊
這里是中國南部大亞灣的地下實驗區(qū),科研人員研究著宇宙中最奇特的粒子——中微子。從恒星的聚變到地球的反應(yīng)堆,凡是核反應(yīng)都會產(chǎn)生中微子,中微子是宇宙中數(shù)量最多的粒子之一。每秒穿過我們身體的中微子有幾萬億個,我們卻既感覺不到也看不見它們,因為它們不帶電荷,而且?guī)缀鯖]有質(zhì)量。它們被稱為最似“虛無”的物質(zhì)。
不過最奇怪的是,中微子一直處于變化當(dāng)中。科研人員說,中微子穿越宇宙時,會在三種狀態(tài)(稱為“味”)之間不斷轉(zhuǎn)變。這就像把一個香蕉拋向空中,它一會兒變成橙子,一會兒變成蘋果,然后又變回香蕉。就我們所知,其它粒子都沒有這種性質(zhì)。

進入大亞灣實驗中心
世界上只有屈指可數(shù)的實驗平臺可以幫助科研人員解讀這種怪異行為,大亞灣實驗便是其中之一。它檢測的是附近核電站產(chǎn)生的穩(wěn)恒中微子流。


曹俊說:“我們每天都能探測到幾千個中微子,F(xiàn)在是中微子物理的黃金時代!
特別的是,這支團隊可以比以往更精確地計算中微子從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)的幾率。他們的結(jié)果暗示,中微子可能存在第四種味,不過這一點還有待驗證。
這項工作非常成功,以至于去年獲得了“突破獎”(一項高規(guī)格的國際獎項)?紤]到中國在上世紀(jì)八十年代才投入到這個領(lǐng)域,這個結(jié)果還算不錯。監(jiān)管這項研究的中科院高能所所長王貽芳教授說:“現(xiàn)在我們開始看到成果了!
中國許多科研人員都在國外工作過。王教授也曾在意大利和美國工作。過去,這些科研人員往往一去不返,不過現(xiàn)在形勢已逐漸逆轉(zhuǎn)。王教授說:“我認(rèn)為,現(xiàn)在政府的投資越來越多,國內(nèi)的機遇也越來越多,以后會有更多人回來!
而且,回國的科研人員也在協(xié)助中國與外國建立科學(xué)聯(lián)系。王教授說,中國科學(xué)要想進步,就必須多與國外合作。他又說:“我認(rèn)為,國際合作對每個學(xué)科都很重要。對國際社會不夠開放的團隊,恐怕很難成為業(yè)界領(lǐng)導(dǎo)者!
施普林格·自然的劉珺女士對科學(xué)公開的好處也提出過相近的觀點!蹲匀弧冯s志一項調(diào)查顯示,中國一些科研人員不愿意與更大的研究團體分享自己的結(jié)果,劉女士認(rèn)為這樣只會適得其反。她說:“我們呼吁科學(xué)公開和數(shù)據(jù)分享。實際上,在開放條件下,研究得到結(jié)果、治療方案或新產(chǎn)品的效率要高得多得多!
調(diào)查還發(fā)現(xiàn),中國科研人員還頂著發(fā)表越來越多論文的壓力,達不到指標(biāo)就會影響經(jīng)費。王貽芳說,中國太過關(guān)心論文數(shù)量,“其實很多論文的質(zhì)量都沒有那么高,至少算不上頂級,所以數(shù)量多不代表最好。因此,我覺得我們還是有很長的路要走!

粒子探測器核心
在這個地下中微子實驗室里,研究團隊已做好了進一步探索的準(zhǔn)備。曹俊告訴我說,龐大的后續(xù)實驗已經(jīng)展開。“這次的實驗要大得多。之前每個探測器里用來探測中微子的材料有二十噸,而新實驗里我們要用兩萬噸!
中國剛建起了最大的射電望遠(yuǎn)鏡,科研人員又想著用這個增大版的大型強子對撞機在粒子物理領(lǐng)域創(chuàng)造新紀(jì)錄。
曹俊說:“現(xiàn)在是中國科研人的好時代。”
深海競逐

這艘船帶有船上實驗室和最新的科研設(shè)備,計劃探索世界各大海域。它還要用作潛水器的母船,為中國深入海浪之下出力。這些潛水器將下潛到大洋的最深處。


崔維成
崔教授是上海海洋大學(xué)深淵科學(xué)技術(shù)研究中心主任,他還成立了一家叫做彩虹魚的民營企業(yè),用來建造新型考察船并積極開發(fā)各類潛水器。其中一種無人潛水器在最近一次測試中成功下潛至四千米深度。不過彩虹魚的最終目標(biāo)是載人探測。他們計劃將人類送至大洋的最深處——深度接近一萬一千米的太平洋的馬里亞納海溝。崔教授把我?guī)У竭@臺潛水器的等大模型旁,他希望它能在2019年下潛。潛水器呈亮紅色,長約十米,具有流線型設(shè)計。他介紹說,艙內(nèi)有足夠三人的空間,外部包有很厚的金屬保護殼!澳壳拔覀冞在設(shè)計階段,正在測試幾種高強度材料!彼仨毘惺軜O高的壓力,這些壓力來自下潛深度以上海水的重量。如果有一處強度不夠,潛水器就會發(fā)生內(nèi)爆。

1960年,美國海軍上尉唐·沃爾什(Don Walsh)和瑞士工程師雅克·皮卡爾(Jacques Piccard)首次下潛到馬里亞納海溝。他們的潛水器的里雅斯特號(Bathyscaphe Trieste)在下潛中不斷發(fā)出咔噠咔噠的金屬擠壓聲,下潛過程將近五個小時。
僅有的另一次載人探險,是2012年好萊塢導(dǎo)演詹姆斯·卡梅隆在鮮綠色潛水器中進行的單人下潛。
彩虹魚希望,下一個潛入馬里亞納的就是自己。不過中國政府也在探測深海,所用的載人潛水器是崔教授成立自己公司前設(shè)計的蛟龍?zhí)。蛟龍(zhí)栆呀?jīng)完成了一百多次下潛任務(wù),最深深度達到令人贊嘆的 7062 米。
目前,中國政府也在計劃研制一款新型潛水器,用來探索那些最深的海溝。盡管官方強調(diào)這個計劃純粹以科研為目的,但如今緊張的海洋爭端卻讓人對此抱有疑問。彩虹魚團隊堅持自己的探測無關(guān)政治的立場,而且正在尋找與美國、俄羅斯和歐洲科研人員的合作。他們只是一個商業(yè)公司。
彩虹魚董事長吳辛博士說,公司計劃向三類人群推出考察船和潛水器租用服務(wù)。他說:“首先自然是研究深海科學(xué)和技術(shù)的科研人員,其次是近海油氣開采公司,最后是想親自下潛看看海底的游客和探險家!
這種成立企業(yè)的方法或許是中國科學(xué)發(fā)展的新模式。崔維成說,公立研究機構(gòu)沒這么方便,政府發(fā)放項目資金手續(xù)復(fù)雜,速度也慢,脫離政府資助的研究會有更多的自由空間。
“我想政府還沒有找到管理大型科研項目的正確方法,讓研究人員能一心放在研究上。他們考慮科研改革方向的時候應(yīng)該想想這一點!
深海研究活動的難度高、風(fēng)險大,而且有很大的海域還沒有探測過。不過,崔教授希望自己能成為第一個進入馬里亞納海溝的中國人,并且相信中國能夠成為真正打破深海最后的界限的國度。
突破太空

一個小男孩對我說:“太空很有趣,還很酷。”我問他將來想做什么,他想了一會兒說,他非常希望能進入太空,長大以后想當(dāng)宇航員。
中國的空間計劃吸引了在場的每個人,可以感覺到,他們對中國的成就懷有民族自豪感。中國的航天時代始于1970年4月24日。那一天,中國向太空發(fā)射了一枚球形衛(wèi)星,即東方紅一號,并通過它廣播一首頌揚毛主席的歌曲。隨后幾十年里,中國發(fā)送了更多的衛(wèi)星、探測器和航天員,迅速建立起自身的太空力量。
吳偉仁教授在北京的辦公室里轉(zhuǎn)動著一個巨大的月球儀,他是中國探月工程的總設(shè)計師。2013年,距人類上一次登月將近40年后,中國首輛月球車登陸月球。他自豪地在月球儀上把玉兔號月球車的著陸地點指給我看,那上面插著一小面中國國旗。

玉兔號月球車
吳教授笑著說:“中國人一向謙虛內(nèi)斂,我們不喜歡在事情做完之前就到處聲張,做好之后也不會多說些什么!辈贿^在這次采訪中(他頭一次面對外國記者),他卻談了許多。他表示自己的工作壓力很大。他解釋說:“我們的太空計劃強調(diào)成功。探月不像一般的基礎(chǔ)研究那樣可以容錯。我們失敗帶來的影響很大,每位總設(shè)計師和總指揮其實都非常緊張。這也是我們不愿被過多報道的一個原因!
他跟我說了一些中國今后的太空計劃,其中就有重返月球的任務(wù)。中國有計劃開展樣品返回任務(wù),即用探測器抓取月球巖石帶回地球;還有月背登陸任務(wù)。這些計劃在 2018 年實施。
吳教授說:“蘇聯(lián)和美國多次登陸過月球,但他們都是在朝向地球的正面降落,沒有去過另一面。在那一面登陸是個很有挑戰(zhàn)性的課題!
中國還將目光投向了火星。最近一次新聞發(fā)布會上,中國宣布在2020年開展火星探測的任務(wù)。吳教授說:“我們要一次完成繞火探測和火星車的著陸巡視!
對中國來說,載人航天也是優(yōu)先項。2003年,楊利偉成為中國首位進入太空的航天員。他在太空度過21個小時,回到地球后便成為了民族英雄。在他之后,又有九名航天員進入太空。今年,中國又準(zhǔn)備將新一組航天員送上近地軌道。


這表現(xiàn)出中國打破道路上任何阻攔的決心,空間技術(shù)的飛速發(fā)展也反映出多領(lǐng)域科學(xué)的進步。2016 年 3 月,中國政府在全國人民代表大會上宣布了新的五年計劃,“創(chuàng)新”這個詞提到了幾十次。
在下一個發(fā)展階段,中國希望從制造型經(jīng)濟轉(zhuǎn)變?yōu)橹R型經(jīng)濟。中國高速發(fā)展的經(jīng)濟正逐漸放緩,不過政府已將科研列入后續(xù)政策的核心。中國計劃讓科研投入在 2020 年達到國民生產(chǎn)總值的 2.5%。

中國顯然走到了一個轉(zhuǎn)折點。
錢也投了,人也在回流,大型實驗馬上就要啟動。但倫理、合作、開放和研究質(zhì)量的挑戰(zhàn)仍需克服。整個世界都注視著這場科學(xué)變革將走向何方,也注視著中國能否完成蛻變,成為科學(xué)強國。
原文版權(quán)信息:Author Rebecca Morelle
China Producer Xinyan Yu
Videos Richard Kenny
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