本刊記者

當(dāng)前，世界新一輪科技革命浪潮奔涌，充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)?！肮び破涫?，必先利其器。”重大科學(xué)突破，科研儀器先行—從宇宙星辰到組成世界的基本粒子，科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新越來(lái)越離不開(kāi)功能強(qiáng)大的科研儀器，特別是大科學(xué)裝置，這已經(jīng)成為科技界的共識(shí)。近10年，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）、中國(guó)散裂中子源、穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置、高海拔宇宙線觀測(cè)站等大科學(xué)裝置先后建成。這些大科學(xué)裝置有力地支撐了中國(guó)基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)的發(fā)展，助力中國(guó)實(shí)現(xiàn)騰飛。

FAST―“中國(guó)天眼”

天文學(xué)一直是我國(guó)研究的重要領(lǐng)域之一。位于貴州省平塘縣的FAST，是目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，有“中國(guó)天眼”之稱。FAST作為500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，開(kāi)創(chuàng)了建造巨型望遠(yuǎn)鏡的新模式，和美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡一起被稱為“地球兩大天眼”，然而隨著阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的坍塌，F(xiàn)AST成為世界上唯一的“天眼”?！?/p>

自2016年9月建成起，F(xiàn)AST就受到了國(guó)內(nèi)外天文和物理學(xué)界的廣泛關(guān)注。建設(shè)FAST的科學(xué)目標(biāo)主要有5個(gè)：1.巡視宇宙中的中性氫，研究宇宙大尺度物理學(xué)，探索宇宙起源和演化；2.觀測(cè)脈沖星，研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理規(guī)律；3.主導(dǎo)國(guó)際低頻甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量網(wǎng)，獲得天體超精細(xì)結(jié)構(gòu)；4.探測(cè)星際分子，研究恒星的形成和演化，探索太空的生命起源；5.搜索星際通信信號(hào)，搜尋地外文明?！爸袊?guó)天眼”是目前世界上最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，它的建成使中國(guó)在射電天文領(lǐng)域從遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后到領(lǐng)先世界20年。它的觀測(cè)能力是美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的2.25倍，可以把我們探測(cè)宇宙天體的能力拓展到137億年前。它可以驗(yàn)證和探索很多宇宙奧秘，例如引力理論驗(yàn)證、星系演化、恒星和行星起源，乃至物質(zhì)和生命的起源等，是個(gè)身在洼地、心系深空的“天空實(shí)驗(yàn)室”。

截止到2022年7月，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)660余顆新脈沖星，成為世界上發(fā)現(xiàn)脈沖星效率最高的設(shè)備；獲得原恒星核包層中的高置信度的塞曼效應(yīng)測(cè)量結(jié)果，為解決恒星形成三大經(jīng)典問(wèn)題之一提供重要觀測(cè)證據(jù)；獲得迄今最大的快速射電暴爆發(fā)事件樣本，首次提示了快速射電暴爆發(fā)率的完整能譜及其雙峰結(jié)構(gòu)。如今，F(xiàn)AST已進(jìn)入成果爆發(fā)期，憑著超高靈敏度的明顯優(yōu)勢(shì)，成為中低頻射電天文領(lǐng)域的觀天利器，運(yùn)行效率和質(zhì)量不斷提高，年觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)5300小時(shí)，遠(yuǎn)超國(guó)際同行預(yù)期的工作效率，為天文學(xué)科學(xué)研究提供了重要支撐。

EAST―“人造小太陽(yáng)”

人類如今面臨著嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)保壓力，如果人類能夠掌控核聚變反應(yīng)，就如同掌握了開(kāi)啟能源寶藏的鑰匙。一旦可控核聚變發(fā)電技術(shù)獲得突破，人類就將獲得幾乎無(wú)限的能量來(lái)源，再也不需要擔(dān)心能源緊缺和環(huán)保問(wèn)題。可以說(shuō)，中國(guó)在核聚變研究方面站在了世界最前列。

建成于2006年的EAST裝置，是中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所自主設(shè)計(jì)、研制并擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，也是世界首個(gè)具有非圓截面的全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置。EAST是“先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)”的縮寫(xiě)，又有“東方”的含意，故EAST裝置中文名為“東方超環(huán)”，它還有一個(gè)更為人所熟知的名字—“人造小太陽(yáng)”。

聚變反應(yīng)需要的條件十分苛刻：在超高壓的太陽(yáng)上，1500萬(wàn)攝氏度的高溫即可滿足核聚變要求，但在地球上，需要在反應(yīng)裝置內(nèi)達(dá)到1億攝氏度以上的高溫。EAST同時(shí)具有“超高溫”“超低溫”“超大電流”“超強(qiáng)磁場(chǎng)”“超高真空”等極限條件，它的出現(xiàn)，讓人們看到了在地球上聚變反應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)成功的曙光。

EAST是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。它的中央是一個(gè)環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時(shí)候，EAST的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場(chǎng)，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達(dá)到核聚變的目的。EAST的運(yùn)行原理就是在裝置的真空室內(nèi)加入少量氫的同位素氘或氚，通過(guò)類似變壓器的原理使其產(chǎn)生等離子體，然后提高其密度、溫度使其發(fā)生聚變反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的能量。EAST有三大科學(xué)目標(biāo)：1兆安等離子體電流、1億攝氏度高溫等離子體、1000秒運(yùn)行時(shí)間。EAST于2010年成功運(yùn)行1兆安等離子體電流；2018年首次獲得1億攝氏度高溫等離子體運(yùn)行；2021年5月成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行；2021年末實(shí)現(xiàn)1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行―這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間。三大科學(xué)目標(biāo)已經(jīng)分別獨(dú)立完成。這一系列成就表明，我國(guó)磁約束核聚變研究在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的物理和工程方面走在國(guó)際前列。EAST的成功建設(shè)和運(yùn)行被認(rèn)為“是世界聚變工程的非凡業(yè)績(jī)，是世界聚變能開(kāi)發(fā)的杰出成就和重要里程碑”。

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置

強(qiáng)磁場(chǎng)是探索前沿科學(xué)的一種極端實(shí)驗(yàn)條件，在發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、催生新技術(shù)方面具有不可替代的作用。世界科技強(qiáng)國(guó)一直都非常重視強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，但在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，我國(guó)在強(qiáng)磁場(chǎng)領(lǐng)域幾乎一片空白，這成為制約我國(guó)科技進(jìn)步的一塊短板。

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置是國(guó)家發(fā)展改革委“十一五”期間立項(xiàng)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，于2017年9月27日在合肥通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。該裝置是世界上第二臺(tái)達(dá)到這一級(jí)別的裝置，它包括10臺(tái)強(qiáng)磁場(chǎng)磁體裝置和6大類實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)以及極低溫、超高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，多項(xiàng)技術(shù)和性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)極端條件的重大突破。