1月15日，我國(guó)最新一代光源“極紫外自由電子激光裝置”，即“大連光源”。發(fā)出了世界最強(qiáng)的極紫外自由電子激光脈沖。單個(gè)皮秒激光脈沖產(chǎn)生140萬(wàn)億個(gè)光子，成為世界上最亮且波長(zhǎng)完全可調(diào)的極紫外自由電子激光光源。

中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)王恩哥評(píng)價(jià)這一成果時(shí)說(shuō)，這是該院乃至我國(guó)又一項(xiàng)具有極高顯示度的重大科技成果?！按筮B光源”中90%的儀器設(shè)備由我國(guó)自主研發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)在這一領(lǐng)域占據(jù)了世界領(lǐng)先地位。

更值得一提的是，該裝置由中科院大連化學(xué)物理研究所和中科院上海應(yīng)用物理研究所聯(lián)合研制，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)科學(xué)研究專(zhuān)家與大科學(xué)裝置研制專(zhuān)家成功合作的先例。近日，中國(guó)青年報(bào)·中青在線(xiàn)記者走進(jìn)“大連光源”，采訪(fǎng)有關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行揭秘。

看不見(jiàn)的“光”：人類(lèi)探測(cè)微觀(guān)世界的利器

在大連長(zhǎng)興島，“大連光源”躺在一個(gè)長(zhǎng)達(dá)100多米的隧道里。在這里，最常見(jiàn)的就是各種燈光閃爍的實(shí)驗(yàn)儀器，以及各類(lèi)如同爬山虎般順著架子連接著儀器的線(xiàn)纜，當(dāng)然，還有各種看不見(jiàn)的“光”。

現(xiàn)實(shí)中，人們接觸最多的“光”，怕是手機(jī)屏幕、電腦電視屏幕發(fā)出的光，還有白熾燈、霓虹燈的光，白天的太陽(yáng)光，夜里的月光，以及大自然中水母、螢火蟲(chóng)發(fā)出的光，等等。那么，光的本質(zhì)究竟是什么？

電磁波——近代物理已經(jīng)證明了這一點(diǎn)，并且發(fā)現(xiàn)光這種“電磁波”，還是人類(lèi)認(rèn)識(shí)和感知物質(zhì)世界，探測(cè)原子和分子等微觀(guān)世界的最重要工具。

比如，對(duì)于聲音和圖像，人類(lèi)可以通過(guò)麥克風(fēng)和攝像頭轉(zhuǎn)換成“電”信號(hào)，然后進(jìn)行處理和傳輸。同樣地，對(duì)于物質(zhì)世界中的原子和分子，如果要“看到”它們，也只需要將其轉(zhuǎn)換成易于識(shí)別和處理的“電”信號(hào)。

一個(gè)最直接的方法，就是將原子或分子中的電子“打”出來(lái)，讓原子、分子變成帶有正電荷的離子，帶正電的離子擊打在探測(cè)器上，就會(huì)形成“電”信號(hào)。如此，科學(xué)家就可以靈敏地探測(cè)即“看到”微觀(guān)世界。

這其中的關(guān)鍵點(diǎn)，即將原子或分子中的電子“打”出來(lái)。不過(guò)，并非所有的“光”都能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?！皹O紫外光”是其中一種。根據(jù)中科院大連化物所研究員戴東旭的說(shuō)法，光（電磁波）本身帶有能量，其波長(zhǎng)越短，能量就越高。也因此，它分為可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光，后者包括紫外光、紅外光、x光，即人們通常所說(shuō)的紫外線(xiàn)、紅外線(xiàn)、x射線(xiàn)?？梢?jiàn)光的能量算是小的。其波長(zhǎng)大致處于400～700納米之間，可以刺激人的視覺(jué)細(xì)胞產(chǎn)生信號(hào)。波長(zhǎng)小于可見(jiàn)光的紫外光，因?yàn)槟芰扛?，?huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，比如320～400納米和270～320納米之間的紫外光。不過(guò)，當(dāng)波長(zhǎng)短到100納米附近時(shí)，光所具備的能量，足以電離一個(gè)原子或分子而又不會(huì)把分子打碎，這個(gè)波段的光，被科學(xué)家稱(chēng)為“極紫外光”?！按筮B光源”就是要造出這種“光”。一旦造出，就是人類(lèi)探測(cè)微觀(guān)世界的一把利器。

最新一代光源是“拍電影”，上一代是“拍照片”

“大連光源”總負(fù)責(zé)人、中科院大連化物所副所長(zhǎng)楊學(xué)明院士講了一個(gè)故事：19世紀(jì)末有人問(wèn)，馬在奔跑時(shí)，究竟有沒(méi)有四蹄同時(shí)離地的瞬間？一時(shí)間眾說(shuō)紛紜，因?yàn)閮H靠人眼觀(guān)察，實(shí)在無(wú)法判斷。直到有人設(shè)計(jì)出一套連續(xù)拍照的裝置，將馬連續(xù)奔跑的過(guò)程“分解”為一幀幀照片，才得出了結(jié)論。

楊學(xué)明說(shuō)，要研究物質(zhì)是如何變化、運(yùn)動(dòng)的，最好的方式就是將過(guò)程“記錄”下來(lái)，能夠讓人們清楚地“看到”。如今，隨著人類(lèi)對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)不斷深入，科學(xué)家已經(jīng)知道，與人類(lèi)生活息息相關(guān)的很多物理和化學(xué)過(guò)程，在本質(zhì)上都是原子和分子過(guò)程。

而要控制或利用這些物理和化學(xué)過(guò)程，在楊學(xué)明看來(lái)，就需要在實(shí)驗(yàn)室里，研究這些過(guò)程所涉及的原子和分子的反應(yīng)機(jī)制，因此，就需要精確并且高靈敏度地“探測(cè)”所涉及的原子和分子。

事實(shí)上，為了“看到”微觀(guān)世界，人類(lèi)制造出了各種各樣的工具，這類(lèi)工具統(tǒng)稱(chēng)為“光源”，其中一類(lèi)在科學(xué)上廣泛使用的光源，利用了粒子加速器獲得高能粒子，高能粒子在磁鐵陣列中震蕩產(chǎn)生的高亮度的光被稱(chēng)為同步輻射光。

物理學(xué)家斯蒂芬·霍金曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，粒子加速器，是人類(lèi)擁有的最接近時(shí)間機(jī)器的設(shè)備。而人類(lèi)所能達(dá)到的最高溫度記錄，也是在粒子加速器中創(chuàng)造的。

從20世紀(jì)40年代，美國(guó)在加州大學(xué)伯克利分校發(fā)展了第一代高能電子束同步加速器之后，高亮度的同步輻射光源，已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)研究最為重要的實(shí)驗(yàn)工具之一。世界各國(guó)先后建立了幾十臺(tái)第三代光源，我國(guó)也有北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、合肥光源、廣東散裂中子源、蘭州重離子裝置、上海光源等。其中合肥光源和上海光源屬于第三代光源。

如今建成的“大連光源”，則是第四代，也是最新一代的光源，即自由電子激光裝置。中科院上海應(yīng)用物理研究所所長(zhǎng)趙振堂研究員說(shuō)，這是當(dāng)今世界上唯一運(yùn)行在極紫外波段的自由電子激光裝置，也是世界上最亮的極紫外光源。

那么，第三代同步輻射光源和第四代自由電子激光裝置究竟有何區(qū)別？

趙振堂打了一個(gè)比方，上一代是“拍照片”的，而最新一代光源是“拍電影”的，進(jìn)一步說(shuō)，即第三代光源只能“看到”微觀(guān)世界物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，而第四代光源則能記錄下微觀(guān)世界物質(zhì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。楊學(xué)明以霧霾為例，從現(xiàn)有的研究來(lái)看，霾是一個(gè)從分子結(jié)構(gòu)聚集起來(lái)的團(tuán)簇，包括水、污染物等，那么在研究霧霾時(shí)，不僅要知道它是什么結(jié)構(gòu)，即由什么組成，還要搞清楚這些組成部分，是如何聚集在一起的，這就需要科學(xué)家不僅要看到靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，還要看到動(dòng)態(tài)的過(guò)程。比如，在空氣潮濕的時(shí)候，空氣中霾的成分通常會(huì)有一個(gè)明顯的增長(zhǎng)，為什么會(huì)這樣，這就需要對(duì)其發(fā)展過(guò)程進(jìn)行研究。也因此，楊學(xué)明將“大連光源”這個(gè)第四代光源，稱(chēng)為觀(guān)察原子、分子反應(yīng)過(guò)程的攝像機(jī)，在原子、分子層次上探索物質(zhì)世界的奧秘。

科學(xué)研究專(zhuān)家與大科學(xué)裝置研制專(zhuān)家首次攜手

第四代光源還有一個(gè)特點(diǎn)：足夠亮。

趙振堂給出一組對(duì)比：比起一般家用的白熾燈，太陽(yáng)的亮度是其1萬(wàn)倍；比起太陽(yáng)，第三代光源則要亮100億倍；那么，比起第三代光源，第四代光源還要再亮100億倍。這里的亮度，是一個(gè)科學(xué)的概念，也稱(chēng)為峰值亮度，定義是單位時(shí)間內(nèi)、單位立體角內(nèi)、單位面積上、單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)所發(fā)射的光子數(shù)量。

在這般光源的照射下，幾乎所有的原子和分子都“無(wú)處遁形”。戴東旭說(shuō)，如今建成的“大連光源”，就是當(dāng)今世界上在極紫外波段最強(qiáng)的自由電子激光，因此是研究與原子分子過(guò)程相關(guān)的物理和化學(xué)科學(xué)問(wèn)題的強(qiáng)有力的利器。

事實(shí)上，在越來(lái)越強(qiáng)調(diào)協(xié)同創(chuàng)新，而非“單打獨(dú)斗”的大科學(xué)時(shí)代，像“大連光源這樣的大科學(xué)工程，越來(lái)越為科學(xué)界所重視。如今，“大連光源”的建成出光，在王恩哥看來(lái)，也將大大促進(jìn)我國(guó)在能源、化學(xué)、物理、生物、材料、大氣霧霾、光刻等多個(gè)重要領(lǐng)域研究水平的提升，為我國(guó)的科技事業(yè)注入新的活力。

很快，“大連光源”得到國(guó)家自然科學(xué)基金委國(guó)家重大儀器專(zhuān)項(xiàng)的資助，于2012年年初正式啟動(dòng)，2014年10月正式在大連長(zhǎng)興島開(kāi)工建設(shè)。僅兩年時(shí)間，就完成了基建工程以及主體光源裝置研制。

2016年9月24日22時(shí)50分，超過(guò)300兆伏的電子束流，依次通過(guò)自由電子激光放大器的各個(gè)元件。終于，總長(zhǎng)18米的波蕩器陣列，發(fā)出了第一束極紫外光。

如今，經(jīng)過(guò)調(diào)試后的“大連光源”，早已能發(fā)出更為強(qiáng)大的光束。但科學(xué)家并不會(huì)止步于此，中科院大連化物所研究員張未卿透露，國(guó)內(nèi)未來(lái)很有可能進(jìn)軍x射線(xiàn)波段的第四代光源。