大科學引領大發現時代

軍事科學院 副院長

中國科學院 院 士 賀福初 少將

發現是科學的基石。發現，基于對已知世界的認識和對未知領域的探索；重大發現，既要堅實的積累推動，又需天才的思想牽引?？茖W史上，積累可以持續而恒速，而天才的思想歷來是可遇不可求。因此，“厚積薄發”的現象屢見不鮮。當人類對某個領域的認知經過長時間的積累而達到一定程度時，會突然出現一個甚至數個劃破歷史長空的科學大家，應承時代的召喚，指引紀元的更替，促發重大發現蜂擁而至，并迅即匯聚成滾滾洪流，沖破已有理論信條的桎梏，將該領域的理性認識推上革命性的全新的境界，使一個或多個相關領域呈現爆發式成長、脫胎換骨，乃至革命性突變，促使該領域進入“大發現時代”。

一、 歷史上的大發現時代

兩千多年前，古希臘畢達哥拉斯學派開啟了自然科學的第一個大發現時代。他們相繼發現：算術的本質是“絕對的不連續量”，音樂的本質是“相對的不連續量”，幾何的本質是“靜止的連續量”，天文學的本質是“運動的連續量”。因此認為，數學是通向理念世界的必備工具。后來兩千余年的歷史表明，數學作為整個自然科學的靈魂與“通天塔”，正是其不斷推陳出新，才奠定了以后各學科“大發現”的基石。

地理學的大發現時代爆發于短短的40年間，卻影響了世界數百年的格局。15、16世紀之交，以“地球說”為理論指導，地球上不為文明世界所知的地域和航線不斷被發現。1485年，哥倫布發現北美大陸。1497年，達·迦馬發現印度洋和印度。1498年，哥倫布又發現南美大陸。1519年，麥哲倫發現南美大陸最南端海峽，找到大西洋直達太平洋的通路；1521年，麥哲倫發現太平洋。從此，開啟西方和現代文明的新篇章。地理學大發現所引起的觀念革命，不亞于它所帶來的經濟后果，突破了亞里士多德和托勒密創建的知識范疇與視野，促使歐洲知識階層從近兩千年來對經典神律的頂禮膜拜中猛醒，為近代科學革命開啟了批判的理性天窗和革新的精神動力。

天文學雖與數學一樣古老而成熟，但在16、17世紀之交，以革命性的“日心說”為指南，憑借望遠鏡技術，才迎來新的大發現時代。1572年，第谷發現木星、土星及其運行規律，5年后又發現了彗星。至此，太陽系存在46億年的九大行星，在10年內被發現了三分之一。1600年，開普勒在第谷觀測數據的基礎上，苦尋宇宙秩序，撥云見日，很快發現了第一、第二定律，并將其推廣至太陽系所有行星；不久，他又發現第三定律，并用三大定律將所有行星運動與太陽緊密聯系于一體，使哥白尼“日心說”由懸空的假說落地為有實證依據的理論體系。

18世紀，氣體、元素相繼被發現。1756年，布萊克發現二氧化碳。1760年，丹尼爾·盧瑟福發現氮氣。1766年，卡文迪許發現氫氣。1774年，普利斯特發現氧氣。這些氣體的發現，使拉瓦錫于1789年將“燃燒”科學定義為“氧化”，推翻了統治化學界上千年的“燃素說”，并提出元素學說，開創了化學的新紀元，將此后的數十年帶入化學元素大發現時代。存在于宇宙138億年的上百種元素，有一半以上，在這一歷史瞬間被人類發現，從而催生了化學革命。

19世紀下半葉，迎來了微生物學的大發現時代，成就了現代醫學史上第一次革命。1856年，路易·巴斯德指出，“所有的發酵都是由微生物引起”；1859年，他推翻了“自然發生論”；1860～1880年，又以工業上酒發酸、農業上絲蠶病、醫學上傳染病等一系列驚世難題的成功處置，奠定了“疾病細菌說”。半個世紀里，微生物學不僅突破了傳統、直觀意義上動物界、植物界的邊界，打開了其種類、其作用均不亞于前兩界的微生物界，而且憑理性之光，讓蔓延并橫行人間數千年的“瘟疫”“瘴氣”在黑暗與愚昧中現形，并迅即為現代醫學的第二次革命——抗生素革命開啟了大門。

20世紀則被稱為“基因的世紀”，基因幾乎主宰了上個世紀生命科學的神話。1900年，德佛里斯等獨立重現了孟德爾遺傳定律。1910～1930年，摩爾根發現基因連鎖定律，建立了完整的基因遺傳理論體系。1928年，格里菲斯發現肺炎雙球菌轉化因子；1944年，艾弗里用生化方法證實其為DNA；1951年，德爾布呂克、蔡斯等人用同位素標記法確證遺傳物質為DNA；1952年，查伽夫發現DNA堿基組成定律。1950年，阿斯特伯里等獲得了DNA的X射線衍射圖。1953年，沃森等提出DNA雙螺旋結構模型，并指出：堿基特異性配對可能是遺傳物質復制的基礎，堿基排列順序可能就是攜帶遺傳信息的密碼。這些革命性的猜想，迅即掀起了劃時代的分子生物學的興起，不僅揭示了38億年的遺傳之謎及其遺傳密碼，還揭示了統一大千生命世界的中心法則，產生了比“創世紀”更偉大的基因工程！

二、 大科學計劃成就科技大國

科學的誕生，源于人類理性覺醒后至真、至美、至善的可思性內生張力，力在悟性；而科學的鼎盛，則賴于其實用價值，尤其是獨特價值突顯后至實、至用、至效的可視性外在引力，力在物性。正因如此，科學在最近五百年間不斷鼎新人類文明的同時，自身也被現代文明徹頭徹尾地重塑。比如，科學研究體制與模式。

17世紀以前的上千年，科學研究活動一直以最初的個人或學派自由研究為主，18世紀發展到松散的學會形式，再到19世紀的集體模式，20世紀則迅速上升到國家規模甚至國際規模。進入新世紀，科學已成為一項重要的社會事業，甚至成為國家或地區重要的戰略產業，科學技術縱橫捭闔的一體化潮流勢不可當。一方面，科學整體化、技術群體化；一方面，科學技術化、技術科學化。其中，大科學研究范式一馬當先，譜寫了不朽的鴻篇巨制。當代全球產業的風向標——從信息技術、空間技術到新一代生物技術，無一例外，均源于大科學工程。美國更是憑借一系列大科學計劃拔地而起、脫穎而出，首超歐洲之師，繼越蘇聯之敵，迅速成為科技史上新的“盟主”。

美國科學的興起，得益于英國的科學傳統和德國的科學體制。美國國內資本生產力創造的強大物質基礎，加上獨立戰爭與南北戰爭所形成的社會民主氛圍，以及受實用主義哲學的深刻影響，使其科學的起飛一開始就踏在“巨人的肩膀上”。整個19世紀，這個年輕的國家以其技術上的創造性聞名天下。1890年，美國工農業生產總值超過英國、法國、德國，位居世界首位。但此時的美國科學，只是“再版的英國小科學”和“再版的德國實驗室”。

美國雖然爬上了“巨人的肩膀”，但并未在其肩膀上站起來。美國科學的起飛，是在第一次世界大戰以后，確切地說是在實施兩大科學計劃之后。1941年，珍珠港事件爆發；次年，曼哈頓原子彈研制計劃實施，標志著美國“大科學”研究的開始，同時也揭開了人類進入“大科學”時代的序幕。1945年，兩顆原子彈相繼在日本爆炸，迫使日本天皇求敗，宣告第二次世界大戰結束。1957年，蘇聯人造衛星上天，美國隨即掀起以阿波羅登月計劃為標志的第二次“大科學”研究浪潮。其后，正是憑借曼哈頓計劃發展的原子能技術，以及阿波羅計劃開發的制導和控制領域的新技術，美國主導了戰后半個世紀全球武器裝備的革新。而曼哈頓計劃發展的一至五代計算機技術尤其是網絡技術，以及阿波羅計劃完善的衛星技術，直接構成了當前信息化軍事革命的基石。正是這類科技創新，把美國送上了一尊獨大的“霸主”地位。

兩大科學計劃，不僅保障美國贏得了第二次世界大戰和冷戰，而且令其茅塞頓開，進而確立了政府不因黨爭輪替而動搖的“鐵石戰略”：全力實施大科學計劃，穩固其超一流科技大國的地位，并以此為龍頭，帶動美國高技術的發展。每當美國政府需要調動全國科技力量聯合攻關，用科技助力國家安全，以及推動工業提升國際競爭力的時候，就會推出“大科學計劃”。隨著美國政府“領導世界”的欲望愈強，面臨世界經濟和軍事競爭的壓力愈大，其大科學計劃的規模就會愈大，項目就會愈多。美國一直自我標榜長期搞市場經濟，崇尚自由，反對“計劃”；但每遇重大事件，都能再三動員，并集中國家規模的科技資源用于大科學研究，足見其“大科學計劃”背后國家戰略至上、原創戰略制勝的靈魂和法寶。美國這種“領導”世界的欲望，決定了其必然把有益于提高綜合國力的“大科學計劃”繼續下去。

正如信息化軍事革命中，美軍全盤借用蘇軍革命性理論一樣，對于“規劃科學”甚至“大科學”模式，美國同樣是暗自接受了蘇聯“十月革命”后創立的理念。蘇聯在20世紀20年代首創的“大科學”事業和“規劃科學”思想，起初被西方視為“布爾什維克瘟疫”。但是，第一次世界大戰和經濟大蕭條，迫使資產階級政治家懂得了：科學的應用并不是科學本身能解決的問題，而先發現人類的各種需要，然后再經精心思考和嚴密計劃，才能找出方法，從而滿足這種需要?？茖W功能的這種意識，的確是20世紀社會革命最突出的特征之一。英國科學史家貝爾納一針見血地指出了“十月革命”對“大科學”形成的歷史貢獻。

蘇聯的“規劃科學”思想，通過1931年在倫敦召開的第二次世界科學史大會，傳到西方。此次大會，蘇聯派出了以布哈林為首的代表團，蘇聯學者充滿革命與科學精神的論文，把科學史上一種全新的視角展現在西方地平線上。此次會議后，貝爾納開始對英國與蘇聯進行穿梭式訪問，考察后發現：借助“大科學”計劃，蘇聯的科技事業，特別是關系到國家安全的國防科技和工業科技得到突飛猛進，發展水平與美國旗鼓相當，發展速度甚至高出一籌。進而令他確信：蘇聯的“大科學”模式是對的，其規劃科學取得了成功。以貝爾納為首的西方左翼集團從此開始科學學、“大科學”的研究，繼而出版了享譽全球的著作《科學的社會功能》。戰后，貝爾納還自覺將“大科學”原則，用于英國等西方各國科學事業的重建。1962年，美國科學學家普奈斯出版了著作《小科學，大科學》，使“大科學”思想登堂入室。終于，美國也實現集“大科學”實踐、理論之大成。

蘇聯的“大科學”思想，隨著共和國的新生，也傳到了中國。20世紀50年代初，積弱積貧上百年的中國幾近崩潰邊緣。中國共產黨執政后，面臨百廢待舉、百業待興的緊迫任務。在西方全面圍堵、封鎖的背景下，中國別無選擇地走上蘇聯興國強軍的國防科技發展道路，也就是“規劃科學”“大科學”的發展道路。黨中央、國務院在確定國防科技發展方向、選擇重點攻關領域方面，充分借鑒蘇聯老大哥“規劃科學”“大科學”的成功經驗；在調集力量、組織攻關方面，大力發揚我黨在長期武裝斗爭中積累的“集中優勢兵力打殲滅戰”“大兵團協同作戰”的成功經驗；在兼顧科學決策與行政管理權威方面，我黨大膽起用錢學森、錢三強等一批培養于舊中國、成長于西方列國，但擁有強烈愛國心和卓越科研、管理能力，并在專業領域具有強大號召力的科技領軍人才。事實證明，這條道路是正確的。“大科學”模式不僅在美國、蘇聯可行，在中國也是完全可行的?！皟蓮椧恍恰?，不僅護佑了新生的人民共和國，而且令中國人民從此挺起腰桿，更持續為中華民族的偉大復興保駕護航。

不難看出，“大科學”之道，是自強之道，更是王者之道。冷戰結束，“星球大戰計劃”受阻。中國崛起，“腦計劃”新啟。其中況味，值得深思。

三、 大科學引領新的大發現時代

人類理性對物質世界、人類社會和精神世界的認識，其最高境界是智慧；而要達此境界，必然經過數據、信息、知識三個層階。其中，數據是信息之母、知識之初、智慧之源。大科學的王者之道，始于大數據的產生。

人類歷史上的大數據，源于科技領域，確切地說，源于大科學研究。曼哈頓計劃打開了微觀世界，開創借用人造大科學設施洞開微觀世界的嶄新方法論，并以此為依托，啟動了一系列大科學計劃，產生了史無前例的超大規模數據。比如，位于瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心，由全球85國逾八千位物理學家合作興建的大型強子對撞機，2008年試運行時，數據量即達到25PB（1PB=10萬億比特）/年，2020年完全建成后，將達到200 PB/年。因此，這些科學家率先提出了“大數據（Big Data）”概念，并首創“大數據”理論與技術體系。

無獨有偶，旨在測定人類基因組30億堿基遺傳密碼的基因組計劃，在進行個體基因組測定時，數據量已高達13 PB/年。此后，生物醫學界受其鼓舞，又開展了一系列包含遺傳背景迥異、不同疾病人群，以及大量其他物種的基因組測序，數據量迅速逼近ZB（PB的百萬倍）級。這些專家學者終日與海量數據為伍，不約而同地創造了“大數據”科技體系?；ヂ摼W，最初就是這些領域的專家為解決海量數據傳輸而發明的。由此可見，正是“大科學”開啟了“大數據時代”。

21世紀的大科學研究，不僅開啟了大數據時代，也光大了大發現時代。例如，人們通過大型強子對撞機，在不到五年的時間里，就實現了對“上帝粒子”希格斯玻色子（Higgs boson）的重大發現。它的存在，是最新一代“大一統理論”（Grand Unification Theory，GUT）——“標準模型”（Standard Model，SM）的預言，而這一模型理論，是統一描述物質世界強力、弱力和電磁力三種基本力，以及組成所有物質的基本粒子的理論，從而揭示了基本粒子為何擁有質量并演化為萬物的“密鑰”，使人類向破解宇宙誕生之謎邁出決定性的一步。在“上帝粒子”發現的第二年，預言者被授予了諾貝爾物理學獎。

被譽為“生命登月計劃”的人類基因組計劃，開啟了生命研究的大科學時代。中國作為6個參與國唯一的發展中國家，承擔了該計劃1%的任務。十年間，人類測定了已存世二百萬年的基因組這部天書的完整序列。初步確認，其擁有兩萬余個蛋白質編碼基因，而此前一個世紀，人類僅發現其總數的零頭。此外，由于人類基因組中蛋白質編碼序列不足總序列的百分之三，因而，繼物理世界發現暗物質、暗能量之后，生命世界也可能發現“暗信息”這一最新大陸，人類理性得以閱讀億萬年生命進化中亙古累積、造化神就、通靈達慧的奧秘。僅此意義，就不亞于燧人氏取火點亮文明之光。其后十年間，生命科學還完成了人類七百余種疾病和性狀的基因組關聯研究，新發現的五千余種致病基因和重要性狀基因，10倍于前一百年的總和。

被稱為“生命返地計劃”的人類蛋白質組計劃，起步于人類基因組草圖公布的2002年，旨在解讀人類基因組“天書”，揭示人體各器官其基因組相同但功能迥異的“達·芬奇密碼”。從始至今，中國主導著該計劃的總體設計與實施，開創了中國領導世界重大科技項目的先河。2005年，中國參與的“血漿蛋白質組計劃”，公布了首個人體體液蛋白質組。2010年，中國領導的“人類肝臟蛋白質組計劃”，公布了首個人體器官蛋白質組，鑒定出6788種蛋白質，其中半數以上在人類肝臟中首次發現，四分之一為人體首次發現蛋白?？梢哉f，人類撩開了組成自身機體體液和器官密碼的神秘面紗。

人腦是自然界最復雜的系統。認知、意識、情感的產生機理是自然科學的終極目標，解讀人腦，成為國際科技競爭的巔峰戰場。2013年初以來，“人類腦計劃”相繼在歐洲、北美洲、亞洲依次展開。2013年1月，歐盟啟動了10年內投入12億歐元的“人腦項目”，主要目標是采用大型計算機模擬人腦運行方式，即“創造腦”。4月，時任美國總統奧巴馬宣布，10年內投入45億美元實施“推進創新性神經技術腦研究計劃”，旨在探索人類大腦工作機制、繪制腦活動全圖，并最終開發出針對大腦疾病的療法。9月，日本宣布其腦科學計劃主要通過對非人靈長類動物狨猴的研究，來加快人類大腦疾病（如老年癡呆和精神分裂癥）的研究。即將啟動的“中國腦計劃”，是從認識腦、保護腦和模擬腦三個方向展開研究，逐步形成以腦認知原理、腦重大疾病、類腦人工智能三方面交織的“一體兩翼”研究格局。

概而言之，科技已成為人類文明進步的引擎，更是近代以來大國崛起的發動機?！按罂茖W”范式，已被證明為現代強國的發射塔。國務院2018年初頒布的《積極牽頭國際大科學計劃和大科學工程方案》，吹響了中國邁向科技強國新征程的集結號。中國科技正開啟大科學時代。我們正全力以赴迎接人類新的大發現時代。