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    追光逐夢,聽李儒新院士講述張江新一代光源的故事 ?---陸家嘴金融網

    追光逐夢,聽李儒新院士講述張江新一代光源的故事 ?

       陸家嘴金融網   2020-10-15 13:19:09
      

    8月29日,中國科學院上海高等研究院院長,上??萍即髮W黨委書記、副校長,中國科學院院士李儒新受邀出席,做題為"上海張江新一代光源大科學裝置及其應用前景"的主旨演講。

    中國科學院上海高等研究院院長,上??萍即髮W黨委書記、副校長,中國科學院院士 李儒新

    11年前,外形酷似鸚鵡螺的上海光源,出現在張江的農田之間,自破土到出光僅用了三年時間,創下世界紀錄。如今隨著上海建設具有全球影響力的科創中心各項新任務的提出,作為"大國重器"的張江新一代光源大科學裝置,如何更好地承擔歷史賦予的使命?

    8月29日,在中國金融信息中心舉辦的第十七期"海上院士講壇"上,中國科學院上海高等研究院院長,上??萍即髮W黨委書記、副校長,中國科學院院士李儒新受邀出席,做題為"上海張江新一代光源大科學裝置及其應用前景"的主旨演講,向現場嘉賓、線上聽眾講述了上海張江新一代光源建設背后的故事,分享了超強超短激光的奧秘。

    李儒新院士介紹了張江綜合性國家科學中心的建設進展,回顧了我國激光事業的發展歷程。他指出,大科學裝置是參與國際科技前沿競爭不可或缺的利器。在張江這片充滿科創活力的土地上,上海光源大科學裝置的投入使用,為提升中國的科研實力做出了重大貢獻,也為上海營造起了良好的科研生態。2009年建成后已成為我國生命科學、材料科學、環境科學等眾多學科研究中不可替代的先進手段和綜合研究平臺,也是微電子、制藥、新材料等先進產業技術研發的重要手段。

    李儒新院士指出,正在建設的張江新一代光源大科學裝置將成為張江綜合性國家科學中心的核心科學研究平臺,包括軟X射線自由電子裝置、硬X射線自由電子激光裝置和超強超短激光裝置在內的大科學裝置集群。其中的超強超短激光裝置是一臺10拍瓦級超高峰值功率超短脈沖激光裝置。1拍瓦即1千萬億瓦。這種超高峰值功率超短脈沖激光(簡稱"超強超短激光")在超快科學、材料科學、粒子加速、激光聚變、天體物理等領域具有重大科學應用前景。

    新一批重大科技基礎設施再次嶄露頭角,無不彰顯出上海沖擊科技前沿,鍛造全球影響力的信心和勇氣。李儒新院士表示,未來張江新一代光源大科學裝置將瞄準能源、環境、材料、物理、化學和生命科學等領域,以國家重大戰略需求與世界科技前沿為導向,以解決前瞻性、關鍵科學技術問題為主要目標。"好戲還在后頭,有可能發現我們沒有想象到的東西。"

    據了解,李儒新院士一直致力于強激光科學技術領域的科研工作,面向世界科學前沿和國家有關戰略需求,取得了傲人的成績。2018年11月6日,習近平總書記赴上海浦東張江科學城展示廳考察,李儒新院士團隊研制的超強超短激光裝置科技成果參加展示。他曾獲得1999年度國家杰出青年科學基金,2001年國家自然科學獎二等獎2004年國家科技進步獎一等獎、2005年第十二屆"上海十大杰出青年",2009年第十一屆"中國青年科技獎"等。

    海上院士講壇由中國金融信息中心和上海石油天然氣交易中心共同主辦,浙江省新昌縣人民政府全程支持。此次活動在新華社現場云平臺同步圖文、視頻直播,瀏覽量逾萬人次。

    以下為李儒新院士演講內容摘編:

    上海光源,科創中心建設的重要內核

    2019,上海光源迎來開放十周年。這是張江第一個科教基礎設施,2004年開工建設,2009年竣工。十多年前的張江,除了光源所在地有個小村莊,其它地方都是農田?,F在的張江早已寸土寸金,光源同步也發展到了新的階段。隨著上海五大中心的推進,新一代光源早已成為科創中心建設的重要內核。按照總書記對上海提出的建設具有全球影響力的科技創新中心的要求,上海2016年正式拉開科創中心建設的序幕。新一代光源建設也始于2016年。今年是上??苿撝行慕ㄔO第一階段的收官之年。借此跟各位朋友報告一下我們在落實上??苿撝行慕ㄔO新任務中所交的第一份答卷。

    在這張圖上,可看到上海光源所在地,大約在陸家嘴到迪士尼中間的地方。今天的張江,在整個中國高科技產業發展中已是一個不可或缺的平臺。有新聞報道,張江開始建設自主無人系統的研發基地。此外,張江還有藥谷。上海的生物醫藥產業,在全國占有非常大的份量。張江也是中國的硅谷,有最為領先的集成電路產業。從16年前上海光源的起步到現在擁有一批光源(也稱之為光源大科學設施的集群),有眾多設施可支撐很多科學領域的發展。

    上海張江新一代光源設施在物理空間上高度集聚,密度高,靠近羅山高架路,緊挨著磁懸浮的東邊。這就是"鸚鵡螺",最早的光源所在地。它的南邊是上??萍即髮W校園,中間是上海高等研究院總部。上海光源以及它邊上一些在建的小裝置,再加上這個南北方向很長的裝置,這些構成了新一代的張江光源。

    2014年5月,習近平總書記在上??疾鞎r,作出上?!耙涌煜蚓哂腥蛴绊懥Φ目萍紕撔轮行倪M軍”的重要指示。如何交上這個時代命題的答卷?具有全球影響力的上??苿撝行慕ㄔO,是什么樣的表現形式?上海市委市政府把它列為2015年一號課題認真研究,直到2016年年初,才把答案公布出來,就是要有"四梁八柱"。按照中央指示和要求,要集中力量把張江科學中心建設好,把體現國家戰略的大科學裝置、大科學研究中心和各方資源聚集到張江,迅速做實做強、做出影響。張江除了藥谷、"硅谷",還集聚著豐富的教育資源,包括交大和復旦的張江校區、中醫藥大學、上??萍即髮W、和一批跨國公司研發機構。全國綜合性國家科學中心有三個,除了張江,一個在北京懷柔,一個在合肥。去年又增加了以深圳為核心的粵港澳大灣區的科學中心。

    根據中央要求,張江綜合性國家科學中心特別是光源科學設施的建設,如火如荼加快推進。2018年11月6日下午,習近平在張江科學城展示廳考察,了解上??萍紕撔潞涂萍汲晒D化情況。習近平強調,在實現中華民族偉大復興的關鍵時刻,要增強科技創新的緊迫感和使命感,把科技創新擺到更加重要位置,踢好“臨門一腳”,讓科技創新在實施創新驅動發展戰略、加快新舊動能轉換中發揮重大作用。

    張江光源裝置建設,并非一日之功

    張江光源裝置的建設,并非一日之功。最早可從中國科學院跟上海市的密切合作開始追溯。1995年,中國科學院和上海市人民政府共向國家提出建設現代光源,第三代同步輻射裝置。2008年,中國科學院和上海市進一步加強院市合作。2017年3月11日,中科院和上海市再次深化合作,共同推進具有全球影響力的科技創新中心合作的補充協議,一系列大動作由此逐步推開。2017年9月26日,時任上海市委書記韓正和中國科學院院長共同揭牌成立張江實驗室。

    上海光源采用的"鸚鵡螺"外形實屬偶然。它來源于中科院老院長的創意。2014年,老院長一次出差時在賓館內突發靈感,畫了"鸚鵡螺"草圖。盡管殼里有很多挑空空間,增加了一定的造價,但現在看來非常值得,如今已成上海一張靚麗的名片。更重要的是,它遵循科學規律。同步輻射光源,實際上是讓一個電子來撞圈,在撞圈過程中不斷改變方向,釋放能量。這同雨傘轉圈雨滴會甩出去的原理是一樣的。它的頻段非常寬,可從可見光到X射線,均有涉及。X光能夠穿透一定的深度,波長越短,分辨率越高。

    "鸚鵡螺"頻譜非常寬,在微波段也能覆蓋。但它最重要、不可替代的是短波長,全世界都非常重視這種光源的建設,它甚至可以覆蓋到伽馬射線。要看到微小的物質結構,探測波長要跟它對得上,如果波長很長,就看不到這些小的結構。它能分清楚這些結構,特別是在生命科學和生物醫藥的角度。今年突如其來的新冠病毒,用光源結構就能看到它的蛋白質結構。以前許多病毒如埃博拉病毒,也是用這種光源手段檢測其結構,藥物如何進攻到靶點。這是它的一個從波長可以看到物體尺寸的關系。

    上海光源項目前期醞釀時間長,開工建設后速度非???。項目從2004年12月25日開工,2007年12月24日就開始出光,這是全世界最快的規模光源建設的時間,也被國際同行們稱之為上海張江的速度。2009年項目正式竣工,各種指標全部完成,實際上2007年出光后同步開展了一系列的運用。迄今為止,它是這種規模光源中使用效率最高的,產生了一系列重要的科研成果。它不僅在基礎研究領域,在產業發展上也有重要的應用價值。目前許多地方政府如北京、安徽合肥、廣東深圳、四川等,都在考慮建設光源。

    這個裝置其實就是一個電子加速器,讓電子撞圈,就能發出我們需要的各種光的輻射。當時總共投資了14.3億人民幣,由國家、上海市和中科院三方投資。這個裝置在全球光源裝置中使用效率是最高的?,F正啟動的二期工程,主要是增加用戶的線站。雖說目前用戶線非常有限,但已支撐我國最多的用戶使用。目前這個裝置總體的使用效率,在全球的同類裝置中屬于領先地位。它接待的用戶非常多,包括研究所、高校、企業用戶。企業主要是集中在制藥、化工和材料領域。

    上海光源是一個多學科的工具,很多領域都能用到,從物理、信息、生命、環境、化工化學、高分子、醫學、產業,甚至有考古,因為考古也要研究一些跟物質結構有關的事情。這是一個非常寬的可以服務和支撐的領域。從地域范圍來看,它給國內國際上眾多用戶提供了一個研究平臺。這就是我國的第一代光源,走過了11年的歷程。

    勇擔使命,新一代光源應時而生

    隨著五大中心建設新任務和新使命的提出,如何在科技高峰上再邁新高度?新一代光源應時而生。它不單單是一個光源,而是多個光源組成,構成了光源的集群。上海光源覆蓋了中等能量區的X射線波段,還有高能和低能。但它在特殊的波段,能不能更亮?在生物醫藥制藥領域,掌握結構后找到它的靶點,可研究藥物相互的作用。藥物相互的作用是動態過程,而要看到動態過程就需要新的手段,如找到亮度更高的光源?,F在在建的新一代光源,由多個光源構成,有些是在一個中等的X光能量的區域提高亮度,提升整個綜合性能,從光源角度能夠實現更多的應用價值。

    我國新一代的光源裝置建設,主要力量是中國科學院上海應用物理所和上海光機所的研究隊伍。60年前,第一束激光發明。1961年,我國王之江院士在長春發明了第一臺激光器。當時國家領導人有遠見卓識,很快意識到這個領域的重要性和應用前景。1963年,國家專門組織一批人到上海研究激光。因為上海有完善的工業基礎。很快,我國在激光領域走到了世界研究前沿。當年毛主席講話時并沒有"激光"兩個字,而是用"死光",因為它可能作為武器。1964年,我國航天領域開拓者錢學森,建議把該名字譯成"激光"。因為這個光是受激,更加反映出它跟其它光源的不同。"激光"兩個字是這么來的。

    當然,現在的激光和當年的激光又很不一樣。超強超短激光,它的峰值功率特別高。做個對比,張江在建的光源功率,相當于10的16次方瓦,激光發光要用電,先用電容器把能量存儲起來,然后再一瞬間把能量都釋放。在那一瞬間,它是相當于全球電網功率的一千倍。這個功率跟核電站、水電站怎么對比呢?比如三峽電站是2.2×10的10次瓦。跟自然界的光對比,太陽光跟我們的光對比的話,如果有一塊足夠大的鏡子,把到達地球的所有太陽光收集在一起,然后聚焦在像頭發絲一樣的地方,我們的光比它還強十倍。

    光是一個電池磁波,它有對應的電場、磁場、光壓。這么強的光,就有巨大光的壓力。我們起了一個名,叫羲和激光。它很強,同時又超短,一瞬間就像拍照的閃光燈,一閃一般在毫秒到秒之間,如果要看更快的過程,快門要更短更快。這個光可達到10的負15次秒這么快,能看到更快的運動,拍照片不會糊,脈沖越短,就能拍到變化的過程。我們把脈沖做短,也是為了獲得更高的功率。這個光源帶來了很多研究機會,也有很多預測說,甚至在二十年前就有預測,二十一世紀物理學四大挑戰中的三大都會用到這個光等等,比如說宇宙起源的過程,很多事情我們通過光測來獲得數據,但它沒有經過實驗室的驗證,那我們實驗室怎么再現一些過程。比如說黑洞,到底里面是什么樣的情況?宇宙線是怎么來的?最強的光能多強?這些問題要回答的話,可能需要這樣一個手段。

    光源技術可為重要應用提供基礎

    激光聚變產生取之不盡的無碳能源。煤、石油、天然氣都是化石能源?;茉吹降啄苤稳祟愇拿靼l展多長時間?此外還有碳排放、環境污染,怎么才能有新的方案解決上述問題?聚變能源是終極解決方案。其實聚變,就是核武器的氫彈,氫彈是一個武器,如何變成和平利用的手段,其中一個方案就是用激光來產生可能達到發生聚變反應的條件,這個能源相對是清潔的,可提供無碳的能源。同時它的原料非常豐富,可用海水中氫的同位素氘來做,一升海水相當于三百升的汽油,如此預測人類的能源是非常豐富的,但目前仍困難重重。

    阿秒光脈沖探測電子運動和化學反應。如果拍一個運動員的沖刺,用普通相機就可以了,但是要拍物質世界里面電子或者微觀粒子怎么快速運動,那就得有更快的探測器。1999年有位科學家看到了分子里面兩個原子快速的運動,得到了諾貝爾獎,現在可望看到在原子內的更快的運動。

    臺式化高能電子、質子加速器。上海光源首先把電子加速到足夠高的能量,然后再去發出想要的光?,F在提出了新的加速器的概念,如果用激光進行加速的話,就可以加速器的規?;蛘叱叽鐪p少三個量級,這樣就會大大降低維護的成本和空間的占用,現在這個技術也在快速的發展過程中。激光加速是實現臺式化、超高梯度、高能粒子加速器的最有前途的變革性技術路線, 實現小型化的高能粒子加速器等變革性技術提供了解決方案與科學基礎,對未來的同步輻射裝置、自由電子激光以及高能物理研究等也將帶來深遠的影響。

    例如復旦大學腫瘤醫院的質子重離子醫院是我們國家第一個質子重離子的醫院,用了質子和重離子做癌癥的治療。它對正常的組織損害更低,被稱為定向爆破的技術,使用價格很昂貴。如果用小型化、低成本的加速器,也能推動這方面的進步,將來也許所有的三甲醫院都可以安裝這樣的設備,那可以大大惠及老百姓。雖有很多挑戰,但是未來努力的方向。

    上海超強超短激光實驗裝置

    (羲和1號激光)

    2016年,羲和1號正式建設,主要包括10拍瓦激光系統,能提供前所未有的超高能量密度、超強電磁場和超快時間尺度等綜合性極端物理條件,是張江綜合性國家科學中心重大基礎設施之一?!渡胶=洝ご蠡哪辖洝穼懙?quot;東南海之外,甘水之間,有羲和之國。有女子名曰羲和,方日浴于甘淵,羲和者,帝俊之妻,生十日。羲和1號,就是10個拍瓦,相當于10個太陽到達地球的光源收集在一起?,F開始建設的羲和二號,比它還要大十倍,當然這個要到2025年才建成。2018年1月26日出版的《科學》雜志文章高度評價羲和項目取得的成果,列舉其為國際上自1960年第一臺激光器發明以來,在激光脈沖功率提升方面的取得五個里程碑式進展之一。

    這個裝置建成之后,它能做些什么研究?我們想做的一個事情,能夠去研究反物質。我們之前有一個工作在2016年被評為中國科技十大進展新聞,利用激光產生反物質。按照宇宙起源的模型,在宇宙產生的時候有正物質和反物質,比如說電子應該帶著負電子的,如果帶正電子,就是反物質。一開始宇宙起源的時候,正物質和反物質都是同等數量的。但今天自然界里沒有反物質,反物質是要人造出來的,那么反物質怎么沒有了呢?反物質的消失之迷,是要去解決的。那么利用強激光,就相對容易產生反物質,就可以研究反物質是怎么變化的。

    另外如果反物質將來能夠生產燃料、生產各種電池,就可以把它作為能源的手段?;艚鹗且粋€非常偉大的科學家,他提出了很多奇思妙想,其中有一個,人類將來要飛往深空,探索外星系,那么就要燃料。單位質量能夠產生最多能量的就是反物質,用正反物質的燃料做成飛行器,就可以飛到遙遠的星球去。

    另外關于時空關聯關系的探測。人類在2015年第一次探測到引力波,后面不斷的證實,證明了愛因斯坦的偉大。引力波作為一種波,現在人類至今為止看到的引力波都是自然界里面發生的事情。比如說第一次引力波是2015年看到的,它是13億年前發生的事情,那時候我們人類還沒有,它從很遠的地方傳到我們這邊傳了13億年,剛好地球上人類足夠聰明,做了這個探測器把它測出來。所以這件事情是人類不可控制的,不可重復的,后面測了好幾次引力波,但這些引力波都是來自于天體的活動,兩個黑洞聚合,中子星聚合,都是人類不能掌控它的。在引力波的頻譜里也很寬,能不能人造引力波?人造理論上是可以的,人造引力波是高頻的波段,根據現在的理論推算,利用現代的激光裝置是有可能產生引力波的,但它的信號更弱,需要更加靈敏的方式測出來。我們可以進一步去研究時空的關聯關系,引力會導致時空的彎曲,這些都是新的一些研究的可能性。這是羲和一號想干的事,最后干成了?,F在羲和2號,羲和2號比羲和1號還強十倍,強十倍了以后達到另外一種可能性,比上海光源在X射線波段亮度能提高10億倍。這樣的情況下,靈敏度更高的顯微鏡,需要一個更厲害的照妖鏡把它們連在一起,把羲和2號和強X光結合在一起,就可以探索真空量子電動力學。

    在量子力學的理論里面,真空是有東西的,這件事情沒有得到過任何實驗的證明。2005年提出一個重要的問題,最強的激光能做多強?激光足夠強,就把真空的東西照出來了。怎么去證明真空有東西?一束光照在真空里,它改變方向了,碰到東西了,就證明有東西,所以要按照這個方法來設計實驗,天文學家在觀測中子星的時候,也看到類似的行為,部分的佐證了做這個方向還是有意義的,海森堡的理論在天文觀測上已經部分得到了證明,所以成功的概率很大。

    如何去測試一束光照到真空里,能把里面的東西照出來?超級X光,也就是羲和2號,這個項目在2018年正式啟動,希望到2025年建成,到那個時候,有可能照出真空里的東西,同時用X光線把它測出來。全世界擁有這種超級X光機,比上海光源還強10億倍的有三臺,但能夠同時探測真空行為的,羲和2號是目前唯一在建的一個裝置。項目2017年完成了設計,2018年正式啟動,希望2025年它能夠建成,并且能夠投入使用。

    中國金融信息中心總裁助理李志琴在致歡迎辭中表示,"科技興則民族興,科技強則國家強"。十八大以來,黨中央高度重視科技創新工作,把創新作為引領發展的第一動力,作為建設現代化經濟體系的戰略支撐。其中,大科學裝置是現代科學技術諸多領域取得突破的必要條件。上海光源是我國一個重要的國家級大科學裝置和多學科的實驗平臺。它像一顆美麗的"鸚鵡螺"鑲嵌在張江這片充滿科創活力的大地上,其功能可簡單比喻為一個超級顯微鏡集群。上海光源目前仍在升級中,張江新一代光源大科學裝置將成為張江綜合性國家科學中心建設的核心科研平臺。超強超短激光是國際激光高技術的最新發展前沿與競爭重點領域,有著非常廣泛的應用前景。

    李儒新院士一直致力于強激光科學技術領域的科研工作,面向世界科學前沿和國家有關戰略需求,取得了傲人的成績。2018年11月6日習近平總書記赴上海浦東張江科學城展示廳考察,李儒新院士團隊研制的激光裝置科技成果參加展示。我們深信,在像李院士這樣的一批優秀科學家的共同努力下,我國超強激光光源研究必將躋身國際最前沿。

    中國金融信息中心是新華社的直屬機構,是新華社和上海市人民政府戰略合作的成果,在物理上是一幢建筑,位于陸家嘴的頭排頭座,造型像一顆藍寶石,與東方明珠交相輝映。在功能上,是服務上海國際經濟、金融、貿易、航運、科創中心建設的功能性、資源性和服務性平臺,同時也是陸家嘴樓宇黨建的新窗口、新載體。上海"五個中心"建設的背后,還需要一個信息中心和思想中心來支撐。中國金融信息中心正著力打造"陸家嘴講壇"這個大品牌,旗下擁有"陸家嘴資本夜話"、"浦江養老金融夜話"、"陸家嘴金融法治講壇"、 "國資大講壇"……等十多個子平臺,領域覆蓋財經、科技、法律、藝術和女性成長等各個方面。

    "海上院士講壇"正是系列講壇中的一個。自2019年3月開辦以來,得到了浙江省新昌縣人民政府的全程大力支持,也得到了中科院上海分院、中科院院士上海浦東活動中心等單位的指導和幫助,福建省人民政府駐上海辦事處、上海市福建商會對本次活動大力支持,在此一并表示衷心的感謝。

    主持人:中國金融信息中心 白伊美

    本文來源:陸家嘴金融網

    作者:盧小惠、白伊美、劉思樂

    攝影:吳應安、陳屹奕

    統籌:盧小惠

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