2019年5月19日，在全国科技活动周暨北京科技周启动现场，地球系统数值模拟装置“寰”，以模型形式参展。记者 邓伟摄
即将在怀柔科学城开建的“高能同步辐射光源”效果图。
正在怀柔科学城建设的“地球系统数值模拟装置”效果图。
国家材料服役安全科学中心效果图，这里也是重大工程材料服役安全研究评价设施所在地。
30多年前，北京正负电子对撞机建成并首次对撞成功，被人民日报誉为“我国继原子弹、氢弹爆炸成功，人造卫星上天之后，在高科技领域又一重大突破性成就”。
半个月前，全国科技活动周暨北京科技周盛大开幕，“给地球做CT”的地球系统数值模拟装置仿真版、高能同步辐射光源沙盘模型等，成为主场展览中耀眼的“明星”。
这些令人瞩目的设施，有着一个共同的名字——国家重大科技基础设施，也叫大科学装置。如同望远镜之于天文学，显微镜之于医学，大科学装置是催生原始创新和尖端科研成果的“利器”，能显著提高我国自主创新能力，提升国际科研话语权。
北京市科委最新统计数据显示，目前北京在用、在建、拟建的大科学装置已达19个，其中怀柔科学城布局5个，占比26%。
“大块头”科技周上“自带流量”
北京科技周主场展厅里，约24平方米的高能同步辐射光源沙盘模型“自带流量”，从上方俯瞰，正中通体发亮的巨大圆环格外夺目。高能同步辐射光源能够解析物质结构生成及其演化的全过程，相当于一个探测微观世界的“超级显微镜”。借助它，科研人员能更清楚地认识与探测物质内部分子与原子尺度上的微观结构、功能和动态变化过程。该项目将在怀柔科学城北部核心区开工建设，建设周期为六年半，建成以后将成为我国拥有的第一台高能量同步辐射光源，将为基础科学和工程科学等领域原创性、突破性创新研究提供重要支撑平台。
在同一展厅，一个长方体的“小房子”，酷似缩小版超级计算机，内置的小灯和酷炫的投影一直在闪烁，这是已经在怀柔科学城开工建设的地球系统数值模拟装置的仿真版。展品顶部有个大大的“寰”字，如同这霸气的名字一样，这套装置的功能相当强大，建成后会成为我国在地球系统科学领域的综合数值模拟平台，利用它将实际观测数据同理论模式，以及大规模计算形成的数值模拟结合起来，能提高气候变化、大气污染、暴雨等预测的准确性，为我国防灾减灾、应对气候变化、大气环境治理等提供科技支撑。
当前，人类对大气、海洋、地质和生态等各个分系统的研究不断深入，并且越来越倾向于将地球系统作为一个有机整体进行研究。但地球系统极其庞大复杂，传统理论和观测实验方法局限性太大，远不能满足整体研究的要求，只有通过将理论模式和大规模计算结合的数值模拟才有可能。这就是“地球系统数值模拟装置”的核心原理,因此有人将它的功能形象地比喻为“给地球做CT”。
19个大科学装置助力科创中心
大科学装置，是为提高探索未知世界、发现自然规律、实现科技变革的能力，由国家统筹布局，面向社会开放共享的大型复杂科学研究装置或系统。
它们是突破科学前沿、解决经济社会发展和国家安全重大科技问题的技术基础，也是长期为高水平研究活动提供服务、具有较大国际影响力的国家公共设施。
作为全国科技资源最为密集的城市之一，北京布局大科学装置，既有远景规划，也有实际行动。
沿着京藏高速从北五环向北行驶，在昌平区满井桥附近，连片的灰色楼群相当打眼，这里是正在筹建的国家材料服役安全科学中心，也是重大工程材料服役安全研究评价设施所在地。
重大工程材料服役安全研究评价设施项目建设指挥部总指挥张卫冬告诉记者，大科学装置是硬件设备，相当于医院的X光机，但光有设备是无法提供医疗服务的，因此组建了国家材料服役安全科学中心，国科中心“相当于拥有各类科室和大夫的医院，让硬件设备能充分发挥作用”。
记者在国科中心的科研办公区看到，总建筑面积超过两万平方米的实验室和大型实验站已建成，位于二层的视景室内，仿真平台即将完工，未来，弧形的3D屏幕可逼真地演示仿真结果；在一层，100台蠕变实验机已安装到位，把镁铝合金、耐热钢、镍基高温合金等材料样品挂上后，再给予恒定载荷、恒定温度，可观察材料状态的变化；走进自然环境模拟实验站，可看到一个容积达168立方米的白色环境箱，它能就地模拟东西部等不同地区的自然环境……目前，重大工程材料服役安全研究评价设施中有三套装置已经通过工艺验收，今年底有望全部完成工艺验收工作。
从国科中心出发，再往东北行进50多公里，便是雁栖湖畔的怀柔科学城核心区，被围挡和苫布包围的多处工地正在紧张施工。这里是综合极端条件实验装置和材料基因组、清洁能源材料、先进光源技术等交叉研究平台的施工现场。
2017年国家发展改革委、科技部批复的《北京怀柔综合性国家科学中心建设方案》提出，北京怀柔综合性国家科学中心建设，要以怀柔科学城为核心承载区，以世界先进水平的重大科技基础设施群为依托，综合集成北京地区的相关科研机构、创新人才、研究装置和科技项目，开展高水平科研活动，提升我国在交叉前沿领域的源头创新能力和科技综合实力，代表国家在更高水平上参与全球科技竞争与合作。
当前，全市运行、在建、拟建的大科学装置已达19个，怀柔科学城就占了5个, 占比26%，这里成为北京大科学装置最密集的区域。
怀柔科学城管委会副主任伍建民透露，怀柔科学城主要围绕物质科学、空间科学、地球系统科学、生命科学、智能科学等五个科学方向，来布局重大科学设施和科技研发平台。2017年5月以来的两年间，怀柔科学城已经开建了2个大科学装置和5个交叉研究平台。今年内，还有3个大科学装置、中科院11个科教基础设施和一批交叉研究平台将开工建设。
没有大科学装置就没有科研话语权
“大块头”有大作为，大科学装置在提高我国自主创新能力方面占据了重要地位。
北京正负电子对撞机的建成对我国高能物理的发展起到了至关重要的作用。基于该装置的运用，多项研究取得突破性成绩。例如，证实了轻子普适性原理，提高了标准模型对希格斯粒子质量的预测精度，发现新的共振结构等。
已经在用的中国大陆构造环境监测网络，建成了由260个连续观测站点和2000个不定期观测站点构成的、覆盖中国大陆的高精度、高时空分辨率和自主研发数据处理系统的观测网络，可用于监测中国大陆地壳运动、重力场形态及变化、大气圈对流层水汽含量变化及电离层离子浓度的变化等信息。
HI-13串列加速器，为国内外多个研究所的研究工作提供从氢到铀的40种以上的离子束流。
前面提到的重大工程材料服役安全研究评价设施，是我国第一个面向国民经济主战场的大科学装置。张卫冬介绍，结构材料失效往往造成灾难性事故和重大经济损失，此前我国对于重大工程服役安全问题的研究更多的是以单一环境模拟为主，以小尺寸材料试样为研究对象，而在复杂服役工况环境下针对大尺寸、全尺寸构件的服役行为和安全性等方面的实验手段较少。在建的评价设施就是要针对我国重大工程、重大装备的服役安全研究评价提供世界一流的实验条件。
其实，在该设施建设过程当中，科研人员已为部分大工程提供智力支持，比如，针对普光气田输气管道的服役安全进行评价，围绕高速列车的关键材料国产化开展相关实验和研究。
作为北京建设具有全球影响力的科技创新中心的“三城一区”之一，北京怀柔科学城致力于打造世界级原始创新承载区。伍建民说，我国要建设世界科技强国，要成为世界主要科学中心和创新高地，北京要建设具有全球影响力的科技创新中心，必须提高原始创新能力。怀柔科学城的初心和使命就是原始创新，最核心的内涵就包括建成一批大科学装置和科技研发平台，开展一批基础前沿研究、关键核心技术、颠覆性技术研究等科技创新活动，产出一批世界领先的科研成果。
粒子物理学家、中国科学院院士陈和生曾说：中国没有自己的大科学装置，就没有科研话语权。
未来，综合极端条件实验装置建成后，将是世界上第一个将极低温、超高压、强磁场、超快光场等极端条件集成在一起的设施，有助于科学家发现更多新的物态，探索更多新的科学现象。
开放共享激发创新活力
大厦之材，非一丘之木。大科学装置是大型复杂的科学研究装置和系统，但好的设备，还需要配套运行维护团队、需要提供相应的环境和条件。除此以外，依托大科学装置产生的科研成果，也需要相应的承接地提供孵化转化的环境条件。
走在怀柔科学城雁栖大街上，一排排深灰色的崭新建筑吸引了记者的目光。这是5月26日正式对外发布的创新小镇所在地。创新小镇占地面积120亩，建筑面积8万平方米，由创新中心、政务中心、众创街区、创新广场、创客公寓、智慧公园六大功能区共同组成。
伍建民说，创新小镇的发布和运行，目的是汇聚技术、人才、资本、空间、政策、服务等创新要素，打通创新链条，激发创新活力，未来用于承接大科学装置和交叉研究平台所产生的科研成果，对之进行创业孵化和成果转化。由此，怀柔科学城将构建从大科学装置、国家实验室到交叉研究平台和产业化主体，从科技基础设施，到基础研究、应用研究，再到技术开发、中试转化到产业化应用的创新链条。
国家发改委、财政部2014年公布的《国家重大科技基础设施管理办法》规定，设施建设管理坚持“科学决策、明确权责、协同管理、开放共享”的原则，项目依托单位要建立向其他单位开放共享的管理制度。
伍建民透露，将来怀柔科学城这些大科学装置和科技研发平台建成后，将推动设施平台的高效运行和开放共享，强化用户的全过程参与，建立开放共享的信息服务平台系统，为设施运行计划发布、用户使用申请受理、机时信息发布和数据共享提供支撑，为科研人员提供服务。承担社会公益、国家发展战略以及国家科研项目的单位，都可以向设施管理单位申请免费使用机时。
张卫冬也表示，重大工程材料服役安全研究评价设施建成后，要实现面向全球的开放共享。他透露，中心已经在着手筹建开放共享用户委员会，对需要开展实验的项目进行评估，主要根据其重要性、紧迫性及经济社会意义等进行排序。
