【特稿】组建国家空间实验室（四）：中国空间实验室的科学意义

《组建国家空间实验室为人类未来谋求出路》

专题之四

中国空间实验室的科学意义

特别鸣谢 | 中国工程院院士刘经南

作者 | 刘雨菲贺鹏梓李刚

这种前沿实验室最大的价值就是突破人们最大胆的预期，颠覆人们最深信不疑的公式。

所谓民族的就是世界的，在前沿领域，一个不需要向外交政策妥协的空间基础设施，反而更容易给出明确的合作条件和边界，更容易吸引和接纳国际合作。这就是主动出击的有利面，也就是我们常说的主动权或引领的价值或主导地位。

中国空间实验室的建立，将为中国乃至世界科学起到颠覆性的推动作用。这种颠覆并不是由空间实验室或者航天技术本身所实现的，而是为各个学科创造发现和颠覆的机会。这是科学界所应当首先认识到的。

从李约瑟难题开始的讨论

英国学者李约瑟（Joseph Needham，1900-1995）在其编著的15卷《中国科学技术史》中提出了著名的“李约瑟难题”。其主题是：“尽管中国古代对人类科技发展做出了很多重要贡献，但为什么科学和工业革命没有在近代的中国发生？”

百多年来，李约瑟难题让一代代中国精英夜不能寐。科学与工业革命的缺失，让中国从明末开始，陷入了科学技术和社会文化的双重落后，形成了与西方的落差。这种落差积累到清末，带来了鸦片战争和此后的一系列国耻。对李约瑟难题的解读与回答，也是学界一个长期而反复的话题。

我们无意在本文中讨论李约瑟难题的答案。但我们因此而明白一个事实就是，中国古代没有建立起工程科学和实验科学体系，导致了今天我们的科学体系只能按着西方科学设定的模式探索和前进。

新中国建立后，需要用极为有限的资源，优先解决民生、国防等方面的问题，救亡图存，因此对工程技术的重视往往超过科学。今天的中国已经基本解决了传统意义上的生存问题，正在面对未来的生存和发展难题。因此，中国不但要学习国外先进技术，更要站在整个人类发展的前沿，去探索未知的世界。这就需要高度重视科学的发展，以科学探索的成果引领技术的发展和社会组织形态的演进。

从《研究前沿》

看中国的科学研究

从2014年开始，中国科学院根据美国卡拉利瓦特分析公司的“研究前沿”方法，每年发布《20XX年科技前沿》报告。这种报告的主旨，是通过对当年全球科研人员的论文发表情况，进行数据统计，发现这一年最为活跃的各领域科研方向，并对相关国家科研人员的水平进行评价。在最新版本的《2016科技前沿》中，选出了自然和社会科学10大学科领域中排名最靠前的100个热点前沿和80个新兴前沿。这10大领域包括农业、植物学和动物学，生态与环境科学，地球科学，临床医学，生物科学，化学与材料科学，物理学，天文学与天体物理学，数学、计算机与工程学。

在《2016科技前沿》中，体现了中国科研界的一些领先领域。对此，新华网报道说：

中国表现卓越的研究前沿有30个，占六分之一，在世界各国中位列第二。这30个前沿覆盖了8个领域，在化学、材料科学领域比较集中，在物理、生物、工程、数学、计算机等其他领域分布比较均匀。30个研究前沿可以区分为两种类型：应用导向19个，科学导向 11个，其中重大问题催生的研究前沿占多数。中国在禽流感病毒、聚合物太阳能电池、黑磷、外尔半金属和云制造等前沿主题上表现非常突出。

在报告当中，有一个案例非常值得注意。中国在白光LED用荧光粉的研究上独步全球，论文发表数量占全球的59.1%。出色成果来自这样的事实：在2011年发布的《国家“十二五”科学和技术发展规划》中，提出重点发展白光LED制备等自主关键技术。大量的资金、人才、科研资源和政策投入了相关领域，带来了丰富的研究成果。

在产业规模和产业政策上领先的领域，在科学研究上同样也可以取得领先。科学和一切人类活动一样，投入的资源越多，取得的成就越大。不管来自政府还是产业界，资源投入量都对领域领先程度有着决定性的影响。哪怕出现了牛顿这样的科学天才也不会改变这个事实——科学天才和丰富科研资源天然是相互吸引的。牛顿时代的英国是公认的强大帝国，而爱因斯坦和冯·布劳恩最后都来到了美国。钱学森等科学家回国以后，所得到的也是当时中国所能提供的最好科学资源。那么，把空间实验室这个珍贵的、潜力无穷的科研资源向所有科学领域开放，可能带来基础科学研究的重大突破，带来徐冠华院士所描述的“一系列创新……”

放下李约瑟难题向前看

从具体研究情况看，在这些领域中，与航天及空间活动有直接关系的，只有天文学和天梯物理学。在绝大多数领域的科技前沿工作中，航天和空间元素并没有发挥决定性的作用。这意味着，即使在科学技术和航天技术最发达的美国，载人航天活动对整个科学的贡献程度也很有限。对于科学事业如何向宇宙空间拓展的问题，中美基本上还处在同一个起跑线，即使有差距也不算大。

这给了中华民族一个非常有利的机会，把李约瑟难题抛在脑后，从新的起点出发，去率先引领世界科学进入全新的领域。首先为中国科学界打开一扇探索未知世界的新窗口，以丰富科研成果激励世界科学界，积极参与，把宇宙元素全面引入科学研究和探索的各个领域。如此，自主空间实验室将成为引领世界科学发展的一个标志和灯塔。

之所以可以做到率先，是基于这样的分析：国际空间站虽然被美国国会定位成国家实验室，但是美国自身的载人航天能力至今没有真正恢复。即使在2018年恢复，国际空间站作为一个国际合作的空间设施，需要面对复杂的国际协调工作，科学工作容易受到政治风向的影响。实际上，由于美俄关系急剧恶化，在俄罗斯航天员长期驻站飞行、空间站信息基本对俄透明的情况下，美国能够在国际空间站上开展多少科学工作是很值得怀疑的。一些战略性、前沿性的研究，恐怕不敢再放到国际空间站上实施。

正因为国际合作的复杂性和不可控，美国积极鼓励本国商业企业研制商业空间站。目前进展最快的是比格罗公司的充气式空间站，但是它要到2020年才开始发射。在进度上紧随其后的是AxiomSpace公司的商业空间站。AxiomSpace计划在2021年发射第一个舱段，先对接到国际空间站上，然后逐步发射后续舱段。基本组合到位后，AxiomSpace空间站将在2024年与国际空间站分离，成为一个有4个主要舱段的独立空间站。显然，中国有机会领先于美国，建立一个国家独立自主的空间实验室，按照自己的国家意志开展在空间的科学研究和探索工作。

我们很难在这里预测空间实验室能够取得什么样的科学成就，这种前沿实验室最大的价值就是突破人们最大胆的预期，颠覆人们最深信不疑的公式。如此，才能让世界改天换地。

另外一个需要注意的事实是，所谓民族的就是世界的，在前沿领域，一个不需要向外交政策妥协的空间基础设施，反而更容易给出明确的合作条件和边界，更容易吸引和接纳国际合作。这就是主动出击的有利面，也就是我们常说的主动权或引领的价值或主导地位。

在宇宙尺度上实现科学突破

当今科学研究已经不再是传统实验室所能容纳的。对许多宏观科学理论的探索和验证，必须从宇宙尺度上进行，这其中，以相对论最为典型。

需要指出，人类对宇宙和物质基本原理的认知，实际上依然是非常浅薄的。回想1900年。开尔文男爵（Lord Kelvin）在一篇名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》讲演中说的：“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发；第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。这两次革命不但彻底改变了科学，也改变了人们的生活方式。

今天的人类，依然面临着无数的未知，面临着无数科学理论无法解释科学现实的场景。因此，在宇宙中进行的科学研究，能为我们带来什么样的未来，是难以预测但是同时也是非常值得憧憬的。很大概率上，人类今后数万年、数十万年的生存和发展问题，必须在空间实验室里加以解决。有关的研究，是陆基实验室无法替代的。在相当长的一段时间里，人类已经没有能够在基础理论方面取得极为重大的足以改变文明形态的突破。在材料科学方面所取得的突破也是有限的。

上述研究所面临的困境，很大程度上是因为研究的尺度和研究的环境不足以取得突破。如果达尔文一辈子都不离开他出生的什罗普郡，他永远都不可能用自己的智慧与天分来解释丰富的生物世界。只有在他乘坐贝格尔号军舰环游世界，经历了长达5年的考察和探险、观察了无数的动物和植物之后，才创立了进化论，彻底改变了人类对于生命和繁衍的认识。

因此人类非常需要一种新的手段来提供更大的研究尺度，能够把科学和技术推向一个新的高度，取得划时代的进展，如同青铜、铁器、高分子内燃机、航空航天技术等一样。