内容简介
2011—2021年，我国重大科技基础设施建设水平不断提升，在重点科技前沿领域取得了一批具有世界影响力的原创成果。本书分为基础科学、前沿科技、经济助力与健康保障四篇，邀请30余位各领域一线科技工作者撰文，以问答形式，从科学家的视角为读者科普50项国之重器背后的基础科学知识，帮助读者了解其建造意义及应用前景，拉近读者与科技前沿的距离。本书以大量手绘图解为辅助，从整体和细节上全面展现重器之美，便于读者理解和欣赏。
本书还收入同步辐射光源、“中国天眼”、中国空间站、高速风洞等重大项目的发展经历及团队侧写，由亲历者讲述重器研发背后的故事，深度挖掘我国几代科学家胸怀祖国、攻关创新、勇攀世界科学高峰的事迹，弘扬科学家精神。
精彩书评
开发聚变能，造福全人类。
——万元熙
中国工程院院士，曾任国家重大科学工程非圆截面超导托卡马克装置（EAST）项目总经理
大国重器，彰显大国科技底蕴，奠定强国发展基石。
——周忠和
中国科学院院士，中国科普作家协会理事长
以前，我们用地大物博来形容自己，历史悠久、人口众多是我们对“大国”的定位；而现在，我们在综合国力上重新回到世界前列，大至宏观世界的天体运行、星系演化、宇宙起源，小至微观世界的基因编辑、粒子结构、量子调控，我国都走在当今世界科技发展的最前沿，这才是我们需要担负起的“大国”责任。
——周源
知乎创始人，首席执行官
目录
序 我们能为实现国家科技自主做些什么？ / I
基础科学篇
01. 测量“中国温度”：极低温区基准级测温装置 / 002
02. 新一代“人造太阳”：全超导托卡马克核聚变实验装置 / 008
03. 超级显微镜：中国散裂中子源 / 016
04. 探测微观世界的眼睛：高能同步辐射光源 / 024
科学家故事：我国同步辐射光源的建设历程 / 030
05. 突破“水窗”：上海软 X 射线自由电子激光装置/ 032
06. 照亮微观世界的闪光灯：大连极紫外相干光源/ 040
07. “火眼金睛”的暗物质粒子探测卫星：“悟空”号 / 046
08. 开启“超高能伽马天文学”时代：高海拔宇宙线观测站 / 054
09. 世界上最深的实验室：锦屏地下实验室 / 060
10. 遨游太空，探索极端宇宙：“慧眼”卫星 / 066
11. 迈出中国空间引力波探测的第一步：“太极一号”卫星 / 072
12. 观测宇宙的超级利器：“中国天眼” / 078
科学家故事：我与“老南” / 086
13. 预报地球系统的未来：地球系统数值模拟装置 / 090
14. 空间环境的全面监测：子午工程 / 100
前沿科技篇
15. 中国量子计算机的再次突破：“九章二号”和“祖冲之二号” / 108
16. 祖国的高光时刻：“墨子号”量子卫星 / 114
17. 突破衍射极限：超分辨光刻装备 / 122
18. 中国芯片设计能力的提升：“天机芯”类脑芯片 / 128
19. 从航天大国到航天强国的升级之路：“长征五号”系列运载火箭 / 136
20. 五星红旗点亮星空：中国空间站 / 142
科学家故事：空间站总设计师是怎样炼成的 / 149
21. 收官“探月三步走”：“嫦娥五号”探测器 / 152
22. 火星首次留下中国印记 ：“天问一号”与“祝融号” / 160
23. 勇往直“潜”：“蛟龙号”载人潜水器 / 168
24. 深潜地球“第四极”：“奋斗者号”全海深载人潜水器 / 174
25. 国际首创先进制造装备：智能铸锻铣短流程绿色复合制造机床 / 182
26. 推动天空开发和宇宙探索：JF-22超高速风洞 / 188
科学家故事：中国风洞的传承与发展 / 196
27. 减排大赛里的码表：全球二氧化碳监测科学实验卫星 / 198
28. 中国首颗地球物理场探测卫星：张衡一号 / 206
29. 先进的对地观测遥感卫星：高分五号 / 214
经济助力篇
30. 中国人自己的卫星导航系统：北斗 / 222
31. 中国大飞机：C919 / 230
32. 国产大型特种用途水陆两栖飞机：“鲲龙”AG600 / 238
33. 全球首座 10 万吨级深水半潜式生产储油平台：深海一号 / 246
34. 助力我国可燃冰试采：“蓝鲸 1 号”半潜式钻井平台 / 252
35. 创造世界纪录的海底钻机系统：海牛Ⅱ号 / 258
36. 创造 18 个世界第一：金沙江白鹤滩水电站 / 264
37. 地下蛟龙中国造，盾构机强国终炼成：运河号 / 272
38. 新世界七大奇迹之一：港珠澳大桥 / 278
39. 攀登冻土公路工程的“珠穆朗玛峰”：共玉高速公路 / 284
40.“魔鬼码头”开港，世界第一大港震惊全球：上海洋山深水港 / 290
41. 中国核电成为 “大国名片”的标志：华龙一号 / 296
42. 全球最大的非能动压水堆核电机组：国和一号 / 302
43. 下一代核电之星：高温气冷堆 / 308
科学家故事：第四代核电技术开发的灵魂人物 / 314
44. 神奇的纳米限域催化：煤经合成气直接制高值化学品 / 326
健康保障篇
45. 科学抗疫：我国自主研发的新冠病毒疫苗和特效药 / 318
46. 血液里的“黄金救命药”：重组人血清白蛋白 / 332
47. 实现水稻种植 60 天收获：无人植物工厂水稻育种加速器 / 338
48. 筑造世界医疗强国的基础：基因测序仪 / 344
49. 基因编辑的精准“剪刀”：新型基因编辑工具 CRISPR-Cas12b / 350
50. 神奇的全能影像诊断设备：一体化全身正电子发射—磁共振成像设备 / 358
作者简介及对应文章列表…………366
试读
科学家故事 空间站总设计师是怎样炼成的
1992 年，北京。
经过了数年的论证，在这一年的 9 月 21 日，中共中央政治局十三届常委会第 195 次会议讨论同意了中央专门委员会《关于开展我国载人飞船工程研制的请示》，正式批准实施载人航天工程，中国航天一个全新的时代开始了。
也是这一年，一位 29 岁的硕士毕业生开启了自己的航天事业。谁也没想到，这位年轻人将会在下一个 29 年间，开创一个怎样的未来。
刚入职，他便接到了第一个任务——亲手配出自己办公室的钥匙。这个奇特的规定是老领导对每一位新入职的同事的要求，小小的铁片经过锉刀的不断打磨，才能磨出钥匙的齿纹，从而打开锁。多年后，他在面对记者的镜头时，讲述了老领导的良苦用心——无论是谁，只要投身于航天事业，就必须要全身心地投入一线，踏踏实实地干好每一件事。
4 年后的 1996 年，他参与了“神舟”飞船的第一次桌面联试。
飞船的电气系统如同人的神经一般，上传下达着信号；而各个子系统就如同人的各个器官，它们不能各自为政，要融合成一个整体，才能够让飞船实现自我调控。桌面联试就是让这些子系统在一起协同工作的尝试，而这样的子系统在飞船上有 400 个。数百个日日夜夜，他一丝不苟地带领团队开展测试，让这些系统从完全不能互联，一步步实现协同运作。随后，基于桌面联试的成果，“神舟”飞船的电性船研制成功，顺利出厂。
3 年后的 1999 年 11 月 20 日，由电性船改装成的“神舟一号”首航太空，中国的飞天梦想迈进了一大步。
2001 年，酒泉。
“神舟三号”飞船已经运抵发射场，正在开展紧张的射前测试工作。一个小小的电连接器的信号突然不正常了。
一般来说，对于电连接器这种常规组件，如果它的信号在测试中发生了问题，可以通过直接更换来解决。但是，他决定立刻开展失效分析，检查所有使用了这种电连接器的部件。
检查的结果让人大吃一惊。这种电连接器在设计上就有隐患，这就意味着，即使更换了出现问题的电连接器，它仍然有可能工作不稳定。而飞船内电信号的不稳定甚至中断，就会造成船毁人亡的事故！
这样的电连接器在“神舟三号”上有 77 个，而“神舟三号”此时已然整装待发。
“坚决不能让有哪怕一丝缺陷的飞船上天！”上级决定，全体参试人员撤离发射场，飞船返厂，电连接器重新设计。由于造成了重大损失，直接责任人无一例外受到了处分。他作为“神舟三号”飞船的总体负责人，主动承担了责任，扣发当月 100% 的补贴。
“这让我们认识到，载人航天的标准不是随便说的。”若干年后，他面对记者的镜头时，记忆犹新，“如果某一个人的某一个具体工作做得不到位，就有可能引发灾难性的后果。”
2006 年，“天宫一号”空间实验室立项。他成为“天宫一号”的总设计师。作为“神舟”飞船的设计师之一，他可以将载人飞船的设计经验融入实验室中。
但是，空间实验室与载人飞船存在显著的差异。空间实验室不仅需要保证高可靠，还需要具有长寿命。为了保证空间实验室能够长期运行，空间实验室需要能够抵抗空间辐射、极端温度的考验。
一个显著的例子就是芯片。商用的 CPU 能够保持 GHz 级别的主频，但是在太空中，由于辐射的影响，CPU 的主频只能在 MHz 级别，而且需要做特殊的抗辐射、极端温度处理，否则轻则芯片运行失常，重则宕机乃至烧毁。在当时，这种宇航级的芯片不仅价格极其昂贵，而且其技术往往由外国芯片巨头把持。
但是，他没有因此放弃，他深知，只有运用具有自主知识产权的成果，我国的航天事业才能够规避风险，行稳致远。
这一干又是 5 年。
2011 年，臭名昭著的“沃尔夫条款”落地，美国切断了与中国在航天领域的合作。同年，“天宫一号”成功入轨，我们开启了“空间实验室”元年。
戏剧性的是，“天宫一号”发射成功之后，我们收到了不同国家的合作请求，唯独少了美国。
“我们的设计思想是独立自主、创新引领、体系保障、规模适度。”被问及如何避开“卡脖子”问题时，他淡淡地说，“最重要的是体系保障，靠我们的体制和制度优势，靠航天的体系优势。”
2021 年 4 月 29 日 11 时 23 分，海南文昌。
“长征五号 B”运载火箭的 10 台发动机一齐发出怒吼，它托举着 22 吨重的空间站进入了预定轨道，我国的“空间站时代”来临了。
它高度完备的生命保障系统足以支持航天员长期驻留，它高度先进的科学机柜系统足以支持科学实验长期开展，它高度集成的空间站组件系统足以支持空间站长期运行。
29 年前进入航天系统的年轻人此时已然成为空间站系统总设计师，回望这半辈子的航天生涯，他动情地说：“大到一个国家，小到一个行业，一个企业，一个个人，只有有了实力，才有话语权。”
这位与我国载人航天事业一起成长的航天人，他的名字叫杨宏。风雨兼程三十载，天宫梦想今朝成。他就是我国载人航天事业的缩影，他的故事值得我们每一个人铭记。
前言/序言
序 我们能为实现国家科技自立做些什么？
我们这个时代的底色可以说是科技塑造的，科技的飞速发展使得日新月异、一日千里这样的词不再只是比喻，往往代表了我们当下对时间和空间的真实感受。人类在 18 世纪中期进入第一次工业革命时期，19 世纪中期因电力的运用而迎来了第二次工业革命，中国缺席了这两次工业革命，在 20 世纪后半叶抓住了信息技术引领的第三次工业革命的机遇，终于迎头赶上。仅仅 100 多年前，我们这个积贫积弱的农业国面对“千年未有之变局”还在为谋求民族独立而奋斗，而如今，我国已拥有 41 个工业大类、207 个工业中类和666 个工业小类，成为全世界唯一拥有联合国产业分类中所列全部工业门类的国家，并实现了全面建成小康社会的目标，科技进步在其中的重要作用大家有目共睹。
都说“十年生聚，十年教训”，10 年时间可以带来很大改变，尤其是对于生活在现代的我们。11 年前的 2011 年，知乎成立。那一年，中国的国内生产总值（GDP）首次超越日本，成为全球第二大经济体；载人航天工程“三步走”规划迈出第二步的重要阶段，我国第一个空间实验室平台——“天宫一号”发射成功，“神舟八号”顺利与“天宫一号”完成对接。同一年，袁隆平百亩超级杂交水稻亩产破 900 千克。
2015 年，知乎年度十大问题中出现了“你是什么时候感觉到‘中国强大了’？”这样的问题。也是在这一年，诺贝尔生理学或医学奖被授予了我国中医科学院首席科学家屠呦呦，因她通过发现青蒿素，从而开创疟疾治疗新方法。那一年，中国还成功获得了2022 年北京冬季奥运会的主办权。
11 年后的今天，中国的 GDP 已经达到了作为世界第一的美国 GDP 的 70%。载人航天工程“三步走”进入第三阶段：作为“天宫号”空间站落成的重要步骤，我们刚刚发射“天舟四号”，成功对接空间站“天和”核心舱；“神舟十三号”载人飞船上的 3名航天员顺利返回地球，以 182 天的总任务时长刷新了中国载人航天飞行任务的纪录。国产大飞机 C919 也传来喜讯，即将交付首家用户的首架飞机首次飞行试验成功。
知乎成长的这十多年，与亿万用户一起见证了我国科学技术的高速发展。这些成就举世瞩目，也无一例外地频频登上知乎热榜，它们牵动着我们每个普通中国人的心弦。很多知乎答主都是各行各业的科技骨干，不少人亲身参与了这些成果的建设过程，更多的用户则为中国取得的每一次科技进步鼓掌加油——“长征五号”的首飞成功、暗物质粒子探测卫星“悟空”号获得重大成果、“嫦娥四号”着陆月球背面，都曾成为知乎年度十大热门问题。
在 2021 年知乎举行的“向科学要答案”专题活动中，我通过视频回答了“什么是‘科技自立’？我们如何实现科技自立？”这一问题，最后提出了这样一项倡议：“为科学点赞同，让真正的科学知识获得传播；为科学家点赞同，让辛勤工作的科技工作者获得认可；为科学精神点赞同，向科学要答案，让每个人都能从中获得解答。”在我国走向科技自立的道路上，知乎也在尽着绵薄之力。这是知乎的初心，也是知乎创立 11 年来一直努力并投入大量精力在推动的事业。你现在看到的这本知乎版《大国重器》就是其中的一部分。
知乎图书此次策划的《大国重器》，选取了我国 2011—2021 年中 50 项具有代表性的科技成果，较全面地反映了我国在基础科学、前沿科技、经济民生、健康保障四个方面所取得的重大成就。以前，我们用地大物博来形容自己，历史悠久、人口众多是我们对“大国”的定位；而现在，我们在综合国力上重新回到世界前列，大至宏观世界的天体运行、星系演化、宇宙起源，小至微观世界的基因编辑、粒子结构、量子调控，我国都走在当今世界科技发展的最前沿，这才是我们需要担负起的“大国”责任。
本书介绍了暗物质和引力波的观测等目前的研究热点，包括我国用于探测暗物质的四川锦屏地下实验室、“悟空”号暗物质粒子探测卫星，以及用于研究引力波的“太极计划”。在深空探测方面，“天问一号”奔赴火星，“嫦娥五号”带回月壤，本书重点讲述了我国载人航天工程的最新进展。科学研究离不开大科学装置，作为目前世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜 500 米口径球面射电望远镜（FAST）——“中国天眼”，当然也少不了它的身影。本书还介绍了作为国际竞争热点的量子通信和量子计算，包括世界首颗量子通信科学实验卫星“墨子号”和目前性能最强的量子计算原型机“九章二号”。深入微观，探究生命的本质是另一个重要的科学前沿方向。对于基因编辑、基因测序、核磁共振仪器等反映科学最前沿的领域，本书也总结了我国科学家在这些方向上取得的最新科技成果。
除了上述科学研究及重大科学装置，本书还囊括了深刻改变人类工作与生活方式的科技应用，其中很多涉及“卡脖子”的技术突破关口。比如，大家都十分关心的超分辨光刻设备，它代表了我国在集成电路领域的发展水平；第四代核能的突破性进展，介绍了如何安全高效地利用核能源；先进制造领域的智能铸锻铣复合制造机床，引领国际复杂工艺的绿色制造；深海探测、地球探测的新手段，帮助能源开发利用和空间科学的发展；以及在此次抗击新冠病毒疫情中，我们如何通过科学助力抗疫，等等。可以说，本书可以满足读者对于我国前沿科技全方位的了解。
本书得以完成依靠的是众多一线科研工作者严谨的写作和无私的分享，他们以问答的形式介绍了每项重器的研制目的和过程。读者可以从字里行间感受到他们对于参与我国科技自主创新的自豪感，以及对未来吸引更多优秀人才投入这场艰苦而光荣的事业的殷切期盼。我们有幸邀请到“张衡一号”卫星首席科学家申旭辉、JF-22 超高速风洞项目负责人姜宗林、港珠澳大桥总设计师孟凡超、智能铸锻铣绿色复合制造机床首席科学家张海鸥等，撰文科普他们带领团队一手研制的重器，还有多位参与锦屏地下实验室 PandaX 暗物质实验、“悟空”号数据分析、高海拔宇宙线观测站（LHAASO）实验数据物理分析的科学家讲述这些与他们朝夕相伴的重器背后的原理。你还会读到现任FAST 总工程师姜鹏研究员写的科学家故事——《我与“老南”》，了解他与“FAST之父”南仁东老师之间不为人知的师徒情。
此外，本书通过绘制大量插图，帮助读者在理解制造重器的科学价值的同时，更好地欣赏重器之美；通过特别设计的“大事记”栏目，记录下科学家研制重器过程中取得的重要里程碑。
本书的出版是知乎对“我们能为实现科技自立做些什么？”这一问题做出的回答，如果能够吸引手捧本书的读者对大国重器有一个初步认识，启发年轻读者爱上科学，并以投身科学研究为理想，我们的努力就没有白费。在今后，知乎还会以图书出版的形式面向普通读者推出更多的科普作品，下一本我们可能想要试着回答，为什么本书选取的50 项重大项目可以称为“重器”，它们在世界科技竞争格局中的地位究竟是什么？期待更多的读者来知乎提出问题，也希望每个人可以在国家科技自主创新的进程中用实际行动向时代交出自己的答卷。
周源
知乎创始人，首席执行官
