追光逐梦,听李儒新院士讲述张江新一代光源的故事 ​---陆家嘴金融网

追光逐梦,听李儒新院士讲述张江新一代光源的故事 ​

   陆家嘴金融网   2020-10-15 13:19:09
  

8月29日,中国科学院上海高等研究院院长,上海科技大学党委书记、副校长,中国科学院院士李儒新受邀出席,做题为"上海张江新一代光源大科学装置及其应用前景"的主旨演讲。

中国科学院上海高等研究院院长,上海科技大学党委书记、副校长,中国科学院院士 李儒新

11年前,外形酷似鹦鹉螺的上海光源,出现在张江的农田之间,自破土到出光仅用了三年时间,创下世界纪录。如今随着上海建设具有全球影响力的科创中心各项新任务的提出,作为"大国重器"的张江新一代光源大科学装置,如何更好地承担历史赋予的使命?

8月29日,在中国金融信息中心举办的第十七期"海上院士讲坛"上,中国科学院上海高等研究院院长,上海科技大学党委书记、副校长,中国科学院院士李儒新受邀出席,做题为"上海张江新一代光源大科学装置及其应用前景"的主旨演讲,向现场嘉宾、线上听众讲述了上海张江新一代光源建设背后的故事,分享了超强超短激光的奥秘。

李儒新院士介绍了张江综合性国家科学中心的建设进展,回顾了我国激光事业的发展历程。他指出,大科学装置是参与国际科技前沿竞争不可或缺的利器。在张江这片充满科创活力的土地上,上海光源大科学装置的投入使用,为提升中国的科研实力做出了重大贡献,也为上海营造起了良好的科研生态。2009年建成后已成为我国生命科学、材料科学、环境科学等众多学科研究中不可替代的先进手段和综合研究平台,也是微电子、制药、新材料等先进产业技术研发的重要手段。

李儒新院士指出,正在建设的张江新一代光源大科学装置将成为张江综合性国家科学中心的核心科学研究平台,包括软X射线自由电子装置、硬X射线自由电子激光装置和超强超短激光装置在内的大科学装置集群。其中的超强超短激光装置是一台10拍瓦级超高峰值功率超短脉冲激光装置。1拍瓦即1千万亿瓦。这种超高峰值功率超短脉冲激光(简称"超强超短激光")在超快科学、材料科学、粒子加速、激光聚变、天体物理等领域具有重大科学应用前景。

新一批重大科技基础设施再次崭露头角,无不彰显出上海冲击科技前沿,锻造全球影响力的信心和勇气。李儒新院士表示,未来张江新一代光源大科学装置将瞄准能源、环境、材料、物理、化学和生命科学等领域,以国家重大战略需求与世界科技前沿为导向,以解决前瞻性、关键科学技术问题为主要目标。"好戏还在后头,有可能发现我们没有想象到的东西。"

据了解,李儒新院士一直致力于强激光科学技术领域的科研工作,面向世界科学前沿和国家有关战略需求,取得了傲人的成绩。2018年11月6日,习近平总书记赴上海浦东张江科学城展示厅考察,李儒新院士团队研制的超强超短激光装置科技成果参加展示。他曾获得1999年度国家杰出青年科学基金,2001年国家自然科学奖二等奖2004年国家科技进步奖一等奖、2005年第十二届"上海十大杰出青年",2009年第十一届"中国青年科技奖"等。

海上院士讲坛由中国金融信息中心和上海石油天然气交易中心共同主办,浙江省新昌县人民政府全程支持。此次活动在新华社现场云平台同步图文、视频直播,浏览量逾万人次。

以下为李儒新院士演讲内容摘编:

上海光源,科创中心建设的重要内核

2019,上海光源迎来开放十周年。这是张江第一个科教基础设施,2004年开工建设,2009年竣工。十多年前的张江,除了光源所在地有个小村庄,其它地方都是农田。现在的张江早已寸土寸金,光源同步也发展到了新的阶段。随着上海五大中心的推进,新一代光源早已成为科创中心建设的重要内核。按照总书记对上海提出的建设具有全球影响力的科技创新中心的要求,上海2016年正式拉开科创中心建设的序幕。新一代光源建设也始于2016年。今年是上海科创中心建设第一阶段的收官之年。借此跟各位朋友报告一下我们在落实上海科创中心建设新任务中所交的第一份答卷。

在这张图上,可看到上海光源所在地,大约在陆家嘴到迪士尼中间的地方。今天的张江,在整个中国高科技产业发展中已是一个不可或缺的平台。有新闻报道,张江开始建设自主无人系统的研发基地。此外,张江还有药谷。上海的生物医药产业,在全国占有非常大的份量。张江也是中国的硅谷,有最为领先的集成电路产业。从16年前上海光源的起步到现在拥有一批光源(也称之为光源大科学设施的集群),有众多设施可支撑很多科学领域的发展。

上海张江新一代光源设施在物理空间上高度集聚,密度高,靠近罗山高架路,紧挨着磁悬浮的东边。这就是"鹦鹉螺",最早的光源所在地。它的南边是上海科技大学校园,中间是上海高等研究院总部。上海光源以及它边上一些在建的小装置,再加上这个南北方向很长的装置,这些构成了新一代的张江光源。

2014年5月,习近平总书记在上海考察时,作出上海“要加快向具有全球影响力的科技创新中心进军”的重要指示。如何交上这个时代命题的答卷?具有全球影响力的上海科创中心建设,是什么样的表现形式?上海市委市政府把它列为2015年一号课题认真研究,直到2016年年初,才把答案公布出来,就是要有"四梁八柱"。按照中央指示和要求,要集中力量把张江科学中心建设好,把体现国家战略的大科学装置、大科学研究中心和各方资源聚集到张江,迅速做实做强、做出影响。张江除了药谷、"硅谷",还集聚着丰富的教育资源,包括交大和复旦的张江校区、中医药大学、上海科技大学、和一批跨国公司研发机构。全国综合性国家科学中心有三个,除了张江,一个在北京怀柔,一个在合肥。去年又增加了以深圳为核心的粤港澳大湾区的科学中心。

根据中央要求,张江综合性国家科学中心特别是光源科学设施的建设,如火如荼加快推进。2018年11月6日下午,习近平在张江科学城展示厅考察,了解上海科技创新和科技成果转化情况。习近平强调,在实现中华民族伟大复兴的关键时刻,要增强科技创新的紧迫感和使命感,把科技创新摆到更加重要位置,踢好“临门一脚”,让科技创新在实施创新驱动发展战略、加快新旧动能转换中发挥重大作用。

张江光源装置建设,并非一日之功

张江光源装置的建设,并非一日之功。最早可从中国科学院跟上海市的密切合作开始追溯。1995年,中国科学院和上海市人民政府共向国家提出建设现代光源,第三代同步辐射装置。2008年,中国科学院和上海市进一步加强院市合作。2017年3月11日,中科院和上海市再次深化合作,共同推进具有全球影响力的科技创新中心合作的补充协议,一系列大动作由此逐步推开。2017年9月26日,时任上海市委书记韩正和中国科学院院长共同揭牌成立张江实验室。

上海光源采用的"鹦鹉螺"外形实属偶然。它来源于中科院老院长的创意。2014年,老院长一次出差时在宾馆内突发灵感,画了"鹦鹉螺"草图。尽管壳里有很多挑空空间,增加了一定的造价,但现在看来非常值得,如今已成上海一张靓丽的名片。更重要的是,它遵循科学规律。同步辐射光源,实际上是让一个电子来撞圈,在撞圈过程中不断改变方向,释放能量。这同雨伞转圈雨滴会甩出去的原理是一样的。它的频段非常宽,可从可见光到X射线,均有涉及。X光能够穿透一定的深度,波长越短,分辨率越高。

"鹦鹉螺"频谱非常宽,在微波段也能覆盖。但它最重要、不可替代的是短波长,全世界都非常重视这种光源的建设,它甚至可以覆盖到伽马射线。要看到微小的物质结构,探测波长要跟它对得上,如果波长很长,就看不到这些小的结构。它能分清楚这些结构,特别是在生命科学和生物医药的角度。今年突如其来的新冠病毒,用光源结构就能看到它的蛋白质结构。以前许多病毒如埃博拉病毒,也是用这种光源手段检测其结构,药物如何进攻到靶点。这是它的一个从波长可以看到物体尺寸的关系。

上海光源项目前期酝酿时间长,开工建设后速度非常快。项目从2004年12月25日开工,2007年12月24日就开始出光,这是全世界最快的规模光源建设的时间,也被国际同行们称之为上海张江的速度。2009年项目正式竣工,各种指标全部完成,实际上2007年出光后同步开展了一系列的运用。迄今为止,它是这种规模光源中使用效率最高的,产生了一系列重要的科研成果。它不仅在基础研究领域,在产业发展上也有重要的应用价值。目前许多地方政府如北京、安徽合肥、广东深圳、四川等,都在考虑建设光源。

这个装置其实就是一个电子加速器,让电子撞圈,就能发出我们需要的各种光的辐射。当时总共投资了14.3亿人民币,由国家、上海市和中科院三方投资。这个装置在全球光源装置中使用效率是最高的。现正启动的二期工程,主要是增加用户的线站。虽说目前用户线非常有限,但已支撑我国最多的用户使用。目前这个装置总体的使用效率,在全球的同类装置中属于领先地位。它接待的用户非常多,包括研究所、高校、企业用户。企业主要是集中在制药、化工和材料领域。

上海光源是一个多学科的工具,很多领域都能用到,从物理、信息、生命、环境、化工化学、高分子、医学、产业,甚至有考古,因为考古也要研究一些跟物质结构有关的事情。这是一个非常宽的可以服务和支撑的领域。从地域范围来看,它给国内国际上众多用户提供了一个研究平台。这就是我国的第一代光源,走过了11年的历程。

勇担使命,新一代光源应时而生

随着五大中心建设新任务和新使命的提出,如何在科技高峰上再迈新高度?新一代光源应时而生。它不单单是一个光源,而是多个光源组成,构成了光源的集群。上海光源覆盖了中等能量区的X射线波段,还有高能和低能。但它在特殊的波段,能不能更亮?在生物医药制药领域,掌握结构后找到它的靶点,可研究药物相互的作用。药物相互的作用是动态过程,而要看到动态过程就需要新的手段,如找到亮度更高的光源。现在在建的新一代光源,由多个光源构成,有些是在一个中等的X光能量的区域提高亮度,提升整个综合性能,从光源角度能够实现更多的应用价值。

我国新一代的光源装置建设,主要力量是中国科学院上海应用物理所和上海光机所的研究队伍。60年前,第一束激光发明。1961年,我国王之江院士在长春发明了第一台激光器。当时国家领导人有远见卓识,很快意识到这个领域的重要性和应用前景。1963年,国家专门组织一批人到上海研究激光。因为上海有完善的工业基础。很快,我国在激光领域走到了世界研究前沿。当年毛主席讲话时并没有"激光"两个字,而是用"死光",因为它可能作为武器。1964年,我国航天领域开拓者钱学森,建议把该名字译成"激光"。因为这个光是受激,更加反映出它跟其它光源的不同。"激光"两个字是这么来的。

当然,现在的激光和当年的激光又很不一样。超强超短激光,它的峰值功率特别高。做个对比,张江在建的光源功率,相当于10的16次方瓦,激光发光要用电,先用电容器把能量存储起来,然后再一瞬间把能量都释放。在那一瞬间,它是相当于全球电网功率的一千倍。这个功率跟核电站、水电站怎么对比呢?比如三峡电站是2.2×10的10次瓦。跟自然界的光对比,太阳光跟我们的光对比的话,如果有一块足够大的镜子,把到达地球的所有太阳光收集在一起,然后聚焦在像头发丝一样的地方,我们的光比它还强十倍。

光是一个电池磁波,它有对应的电场、磁场、光压。这么强的光,就有巨大光的压力。我们起了一个名,叫羲和激光。它很强,同时又超短,一瞬间就像拍照的闪光灯,一闪一般在毫秒到秒之间,如果要看更快的过程,快门要更短更快。这个光可达到10的负15次秒这么快,能看到更快的运动,拍照片不会糊,脉冲越短,就能拍到变化的过程。我们把脉冲做短,也是为了获得更高的功率。这个光源带来了很多研究机会,也有很多预测说,甚至在二十年前就有预测,二十一世纪物理学四大挑战中的三大都会用到这个光等等,比如说宇宙起源的过程,很多事情我们通过光测来获得数据,但它没有经过实验室的验证,那我们实验室怎么再现一些过程。比如说黑洞,到底里面是什么样的情况?宇宙线是怎么来的?最强的光能多强?这些问题要回答的话,可能需要这样一个手段。

光源技术可为重要应用提供基础

激光聚变产生取之不尽的无碳能源。煤、石油、天然气都是化石能源。化石能源到底能支撑人类文明发展多长时间?此外还有碳排放、环境污染,怎么才能有新的方案解决上述问题?聚变能源是终极解决方案。其实聚变,就是核武器的氢弹,氢弹是一个武器,如何变成和平利用的手段,其中一个方案就是用激光来产生可能达到发生聚变反应的条件,这个能源相对是清洁的,可提供无碳的能源。同时它的原料非常丰富,可用海水中氢的同位素氘来做,一升海水相当于三百升的汽油,如此预测人类的能源是非常丰富的,但目前仍困难重重。

阿秒光脉冲探测电子运动和化学反应。如果拍一个运动员的冲刺,用普通相机就可以了,但是要拍物质世界里面电子或者微观粒子怎么快速运动,那就得有更快的探测器。1999年有位科学家看到了分子里面两个原子快速的运动,得到了诺贝尔奖,现在可望看到在原子内的更快的运动。

台式化高能电子、质子加速器。上海光源首先把电子加速到足够高的能量,然后再去发出想要的光。现在提出了新的加速器的概念,如果用激光进行加速的话,就可以加速器的规模或者尺寸减少三个量级,这样就会大大降低维护的成本和空间的占用,现在这个技术也在快速的发展过程中。激光加速是实现台式化、超高梯度、高能粒子加速器的最有前途的变革性技术路线, 实现小型化的高能粒子加速器等变革性技术提供了解决方案与科学基础,对未来的同步辐射装置、自由电子激光以及高能物理研究等也将带来深远的影响。

例如复旦大学肿瘤医院的质子重离子医院是我们国家第一个质子重离子的医院,用了质子和重离子做癌症的治疗。它对正常的组织损害更低,被称为定向爆破的技术,使用价格很昂贵。如果用小型化、低成本的加速器,也能推动这方面的进步,将来也许所有的三甲医院都可以安装这样的设备,那可以大大惠及老百姓。虽有很多挑战,但是未来努力的方向。

上海超强超短激光实验装置

(羲和1号激光)

2016年,羲和1号正式建设,主要包括10拍瓦激光系统,能提供前所未有的超高能量密度、超强电磁场和超快时间尺度等综合性极端物理条件,是张江综合性国家科学中心重大基础设施之一。《山海经·大荒南经》写到"东南海之外,甘水之间,有羲和之国。有女子名曰羲和,方日浴于甘渊,羲和者,帝俊之妻,生十日。羲和1号,就是10个拍瓦,相当于10个太阳到达地球的光源收集在一起。现开始建设的羲和二号,比它还要大十倍,当然这个要到2025年才建成。2018年1月26日出版的《科学》杂志文章高度评价羲和项目取得的成果,列举其为国际上自1960年第一台激光器发明以来,在激光脉冲功率提升方面的取得五个里程碑式进展之一。

这个装置建成之后,它能做些什么研究?我们想做的一个事情,能够去研究反物质。我们之前有一个工作在2016年被评为中国科技十大进展新闻,利用激光产生反物质。按照宇宙起源的模型,在宇宙产生的时候有正物质和反物质,比如说电子应该带着负电子的,如果带正电子,就是反物质。一开始宇宙起源的时候,正物质和反物质都是同等数量的。但今天自然界里没有反物质,反物质是要人造出来的,那么反物质怎么没有了呢?反物质的消失之迷,是要去解决的。那么利用强激光,就相对容易产生反物质,就可以研究反物质是怎么变化的。

另外如果反物质将来能够生产燃料、生产各种电池,就可以把它作为能源的手段。霍金是一个非常伟大的科学家,他提出了很多奇思妙想,其中有一个,人类将来要飞往深空,探索外星系,那么就要燃料。单位质量能够产生最多能量的就是反物质,用正反物质的燃料做成飞行器,就可以飞到遥远的星球去。

另外关于时空关联关系的探测。人类在2015年第一次探测到引力波,后面不断的证实,证明了爱因斯坦的伟大。引力波作为一种波,现在人类至今为止看到的引力波都是自然界里面发生的事情。比如说第一次引力波是2015年看到的,它是13亿年前发生的事情,那时候我们人类还没有,它从很远的地方传到我们这边传了13亿年,刚好地球上人类足够聪明,做了这个探测器把它测出来。所以这件事情是人类不可控制的,不可重复的,后面测了好几次引力波,但这些引力波都是来自于天体的活动,两个黑洞聚合,中子星聚合,都是人类不能掌控它的。在引力波的频谱里也很宽,能不能人造引力波?人造理论上是可以的,人造引力波是高频的波段,根据现在的理论推算,利用现代的激光装置是有可能产生引力波的,但它的信号更弱,需要更加灵敏的方式测出来。我们可以进一步去研究时空的关联关系,引力会导致时空的弯曲,这些都是新的一些研究的可能性。这是羲和一号想干的事,最后干成了。现在羲和2号,羲和2号比羲和1号还强十倍,强十倍了以后达到另外一种可能性,比上海光源在X射线波段亮度能提高10亿倍。这样的情况下,灵敏度更高的显微镜,需要一个更厉害的照妖镜把它们连在一起,把羲和2号和强X光结合在一起,就可以探索真空量子电动力学。

在量子力学的理论里面,真空是有东西的,这件事情没有得到过任何实验的证明。2005年提出一个重要的问题,最强的激光能做多强?激光足够强,就把真空的东西照出来了。怎么去证明真空有东西?一束光照在真空里,它改变方向了,碰到东西了,就证明有东西,所以要按照这个方法来设计实验,天文学家在观测中子星的时候,也看到类似的行为,部分的佐证了做这个方向还是有意义的,海森堡的理论在天文观测上已经部分得到了证明,所以成功的概率很大。

如何去测试一束光照到真空里,能把里面的东西照出来?超级X光,也就是羲和2号,这个项目在2018年正式启动,希望到2025年建成,到那个时候,有可能照出真空里的东西,同时用X光线把它测出来。全世界拥有这种超级X光机,比上海光源还强10亿倍的有三台,但能够同时探测真空行为的,羲和2号是目前唯一在建的一个装置。项目2017年完成了设计,2018年正式启动,希望2025年它能够建成,并且能够投入使用。

中国金融信息中心总裁助理李志琴在致欢迎辞中表示,"科技兴则民族兴,科技强则国家强"。十八大以来,党中央高度重视科技创新工作,把创新作为引领发展的第一动力,作为建设现代化经济体系的战略支撑。其中,大科学装置是现代科学技术诸多领域取得突破的必要条件。上海光源是我国一个重要的国家级大科学装置和多学科的实验平台。它像一颗美丽的"鹦鹉螺"镶嵌在张江这片充满科创活力的大地上,其功能可简单比喻为一个超级显微镜集群。上海光源目前仍在升级中,张江新一代光源大科学装置将成为张江综合性国家科学中心建设的核心科研平台。超强超短激光是国际激光高技术的最新发展前沿与竞争重点领域,有着非常广泛的应用前景。

李儒新院士一直致力于强激光科学技术领域的科研工作,面向世界科学前沿和国家有关战略需求,取得了傲人的成绩。2018年11月6日习近平总书记赴上海浦东张江科学城展示厅考察,李儒新院士团队研制的激光装置科技成果参加展示。我们深信,在像李院士这样的一批优秀科学家的共同努力下,我国超强激光光源研究必将跻身国际最前沿。

中国金融信息中心是新华社的直属机构,是新华社和上海市人民政府战略合作的成果,在物理上是一幢建筑,位于陆家嘴的头排头座,造型像一颗蓝宝石,与东方明珠交相辉映。在功能上,是服务上海国际经济、金融、贸易、航运、科创中心建设的功能性、资源性和服务性平台,同时也是陆家嘴楼宇党建的新窗口、新载体。上海"五个中心"建设的背后,还需要一个信息中心和思想中心来支撑。中国金融信息中心正着力打造"陆家嘴讲坛"这个大品牌,旗下拥有"陆家嘴资本夜话"、"浦江养老金融夜话"、"陆家嘴金融法治讲坛"、 "国资大讲坛"……等十多个子平台,领域覆盖财经、科技、法律、艺术和女性成长等各个方面。

"海上院士讲坛"正是系列讲坛中的一个。自2019年3月开办以来,得到了浙江省新昌县人民政府的全程大力支持,也得到了中科院上海分院、中科院院士上海浦东活动中心等单位的指导和帮助,福建省人民政府驻上海办事处、上海市福建商会对本次活动大力支持,在此一并表示衷心的感谢。

主持人:中国金融信息中心 白伊美

本文来源:陆家嘴金融网

作者:卢小惠、白伊美、刘思乐

摄影:吴应安、陈屹奕

统筹:卢小惠

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