1月15日，遼寧省大連市，中國科學(xué)院研制的“大連光源”發(fā)出了世界上最強的極紫外自由電子激光脈沖。視覺中國供圖

　　冬日的遼東半島，海風(fēng)凜冽刺骨。位于大連這座濱海城市西側(cè)的長興島，因四面環(huán)海，人口稀少，更顯得肅殺、冷清。但就在這里，一項新的世界紀錄剛剛誕生。

　　1月15日，我國最新一代光源“極紫外自由電子激光裝置”，即“大連光源”，發(fā)出了世界最強的極紫外自由電子激光脈沖，單個皮秒激光脈沖產(chǎn)生140萬億個光子，成為世界上最亮且波長完全可調(diào)的極紫外自由電子激光光源。

　　中國科學(xué)院副院長王恩哥評價這一成果時說，這是該院乃至我國又一項具有極高顯示度的重大科技成果。“大連光源”中90%的儀器設(shè)備由我國自主研發(fā)，標志著我國在這一領(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，開創(chuàng)了我國科學(xué)研究專家與大科學(xué)裝置研制專家成功合作的先例。近日，中國青年報·中青在線記者走進“大連光源”，采訪有關(guān)專家進行揭秘。

　　看不見的“光”：人類探測微觀世界的利器

　　在大連長興島，“大連光源”躺在一個長達100多米的隧道里。在這里，最常見的就是各種燈光閃爍的實驗儀器，以及各類如同爬山虎般順著架子連接著儀器的線纜，當(dāng)然，還有各種看不見的“光”。

　　現(xiàn)實中，人們接觸最多的“光”，怕是手機屏幕、電腦電視屏幕發(fā)出的光，還有白熾燈、霓虹燈的光，白天的太陽光，夜里的月光，以及大自然中水母、螢火蟲發(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，并且發(fā)現(xiàn)光這種“電磁波”，還是人類認識和感知物質(zhì)世界，探測原子和分子等微觀世界的最重要工具。

　　比如，對于聲音和圖像，人類可以通過麥克風(fēng)和攝像頭轉(zhuǎn)換成“電”信號，然后進行處理和傳輸。同樣地，對于物質(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)換成易于識別和處理的“電”信號。

　　一個最直接的方法，就是將原子或分子中的電子“打”出來，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器上，就會形成“電”信號。如此，科學(xué)家就可以靈敏地探測即“看到”微觀世界。

　　這其中的關(guān)鍵點，即將原子或分子中的電子“打”出來。不過，并非所有的“光”都能實現(xiàn)這一點?！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法，光(電磁波)本身帶有能量，其波長越短，能量就越高。也因此，它分為可見光和不可見光，后者包括紫外光、紅外光、X光，即人們通常所說的紫外線、紅外線、X射線。

　　可見光的能量算是小的。其波長大致處于400～700納米之間，可以刺激人的視覺細胞產(chǎn)生信號。

　　波長小于可見光的紫外光，因為能量高，會對人體產(chǎn)生危害，比如320～400納米和270～320納米之間的紫外光。

　　不過，當(dāng)波長短到100納米附近時，光所具備的能量，足以電離一個原子或分子而又不會把分子打碎，這個波段的光，被科學(xué)家稱為“極紫外光”。

　　“大連光源”就是要造出這種“光”。一旦造出，就是人類探測微觀世界的一把利器。

　　最新一代光源是“拍電影”，上一代是“拍照片”

　　“大連光源”總負責(zé)人、中科院大連化物所副所長楊學(xué)明院士講了一個故事：19世紀末有人問，馬在奔跑時，究竟有沒有四蹄同時離地的瞬間?一時間眾說紛紜，因為僅靠人眼觀察，實在無法判斷。直到有人設(shè)計出一套連續(xù)拍照的裝置，將馬連續(xù)奔跑的過程“分解”為一幀幀照片，才得出了結(jié)論。

　　楊學(xué)明說，要研究物質(zhì)是如何變化、運動的，最好的方式就是將過程“記錄”下來，能夠讓人們清楚地“看到”。如今，隨著人類對自然界的認識不斷深入，科學(xué)家已經(jīng)知道，與人類生活息息相關(guān)的很多物理和化學(xué)過程，在本質(zhì)上都是原子和分子過程。

　　而要控制或利用這些物理和化學(xué)過程，在楊學(xué)明看來，就需要在實驗室里，研究這些過程所涉及的原子和分子的反應(yīng)機制，因此，就需要精確并且高靈敏度地“探測”所涉及的原子和分子。

　　事實上，為了“看到”微觀世界，人類制造出了各種各樣的工具，這類工具統(tǒng)稱為“光源”，其中一類在科學(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為同步輻射光。

　　物理學(xué)家斯蒂芬·霍金曾經(jīng)說過，粒子加速器，是人類擁有的最接近時間機器的設(shè)備。而人類所能達到的最高溫度記錄，也是在粒子加速器中創(chuàng)造的。

　　從上世紀40年代，美國在加州大學(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)研究最為重要的實驗工具之一。世界各國先后建立了幾十臺第三代光源，我國也有北京正負電子對撞機、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)用物理研究所所長趙振堂研究員說，這是當(dāng)今世界上唯一運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?

　　趙振堂打了一個比方，上一代是“拍照片”的，而最新一代光源是“拍電影”的，進一步說，即第三代光源只能“看到”微觀世界物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，而第四代光源則能記錄下微觀世界物質(zhì)的動態(tài)過程。

　　楊學(xué)明以霧霾為例，從現(xiàn)有的研究來看，霾是一個從分子結(jié)構(gòu)聚集起來的團簇，包括水、污染物等，那么在研究霧霾時，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)，還要看到動態(tài)的過程。

　　比如，在空氣潮濕的時候，空氣中霾的成分通常會有一個明顯的增長，為什么會這樣，這就需要對其發(fā)展過程進行研究。也因此，楊學(xué)明將“大連光源”這個第四代光源，稱為觀察原子、分子反應(yīng)過程的攝像機，在原子、分子層次上探索物質(zhì)世界的奧秘。

　　科學(xué)研究專家與大科學(xué)裝置研制專家首次攜手

　　第四代光源還有一個特點：足夠亮。

　　趙振堂給出一組對比：比起一般家用的白熾燈，太陽的亮度是其1萬倍;比起太陽，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，是一個科學(xué)的概念，也稱為峰值亮度，定義是單位時間內(nèi)、單位立體角內(nèi)、單位面積上、單位波長范圍內(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“無處遁形”。戴東旭說，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的自由電子激光，因此是研究與原子分子過程相關(guān)的物理和化學(xué)科學(xué)問題的強有力的利器。

　　事實上，在越來越強調(diào)協(xié)同創(chuàng)新，而非“單打獨斗”的大科學(xué)時代，像“大連光源”這樣的大科學(xué)工程，越來越為科學(xué)界所重視。

　　如今，“大連光源”的建成出光，在王恩哥看來，也將大大促進我國在能源、化學(xué)、物理、生物、材料、大氣霧霾、光刻等多個重要領(lǐng)域研究水平的提升，為我國的科技事業(yè)注入新的活力。

　　楊學(xué)明也告訴記者，新的儀器發(fā)展，是學(xué)術(shù)研究發(fā)展最為重要的基礎(chǔ)，沒有新的科學(xué)儀器，在物理化學(xué)領(lǐng)域可以說是寸步難行。他還記得，當(dāng)初之所以提出建設(shè)“大連光源”，正是因為科研工作多年受困于反應(yīng)中間體的探測難題。

　　當(dāng)時，他找到趙振堂，雙方一拍即合：這是我國打造新一代光源的絕佳契機。更為重要的是，雙方都意識到，這一項目將是科學(xué)研究專家與大科學(xué)裝置研制專家的首次攜手，而這，對于未來加快推動大科學(xué)裝置在科學(xué)研究中的應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實意義。

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

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

　　如今，經(jīng)過調(diào)試后的“大連光源”，早已能發(fā)出更為強大的光束。但科學(xué)家并不會止步于此，中科院大連化物所研究員張未卿透露，國內(nèi)未來很有可能進軍X射線波段的第四代光源。