在北京怀柔科学城,有一个“巨型放大镜”,哪怕是从高空俯瞰,建筑的整体结构就是一个放大镜,而它的真实作用更是超级放大镜,可以发出比太阳亮一万亿倍的光,帮助科学家看清微观世界。
这就是高能同步辐射光源(HEPS)。整个项目是从2019年启动的,到今年10月底,对整体的项目进行了工艺验收。中国科学院高能物理研究所承担了全部的建设。根据最新的消息,从明年开始,这座巨型的科学设备将逐步开放使用。
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就在近日,凤凰卫视的节目组邀请了比利时的观察员彭望龙,走进了怀柔科学城,近距离观察了这个巨大的“放大镜”。让我们跟随记者的镜头,看看科学家们是如何来解释放大镜的工作和背后的原理的。
发出的光比太阳亮一万亿倍
比太阳亮一万亿倍的光,这不是数字上的形容,而是这座巨型的科研设备真的且必须具备的性能,否则它就不能够穿透物质的表层,看清微观世界。
正因为具备这样的能力,它才能跻身全球前三、亚洲第一。不是它排在第三位,而是全世界仅此三台设备,整个亚洲也仅此一台。
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焦毅是整套科学设备的负责人之一。他通过室内微缩版模型,先从宏观的角度解释了为什么HEPS要建造的这么大。看起来像放大镜边缘的主体圆环,正是设备的核心部件储存环。
它的真实构造首尾相接连起来接近1.4公里。环形的内部其实是管道。设备在开始工作的时候,管道内的电子能够以接近光速的速度进行环状运动。也就是说,短短1秒的时间内,电子在环状管道内就可以旋转数万圈。
也只有达到这样的高速,接下来才能够发出超强的X射线,这才是仪器工作到下一个阶段的主要环节。对科学家来说,这样的光能够穿透结构,能够看清微观世界,能够接近原子的精度。
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在科学界,超过七成已知的生物大分子结构,正是有这样的设备存在,才被科学家探测并观察到了。因此形象一点说,这套科学设备所承担的正是放大镜的任务,就是要放大再放大。
设备也得不断更新迭代技术。我国刚刚建设起来的,正是最先进一代的第四代产品,全世界只有三台。相比于早先已经建成的设备,新的设备好比高铁,原先的设备还是牛车,这是焦毅形容的,技术迭代后的差异就这么大。
新设备之下的原子级世界
技术迭代到第四代,可以把束流体积缩小至少100倍,光线就能够更集中、更明亮,原子级的世界就能清晰无误地呈现在科学家的眼前。
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现在的设备上,绕着其主体结构,有14个用户光束线站。简单来说,就是可以同时容纳多组科学家进行观察研究。根据介绍,未来还要继续增加类似于节点的光束线站,这样就能够容纳更多的科学家展开研究。
而且可以肯定的是,一旦设备开放,不但国内的科研工作者会申请使用,国外的科研工作者也会来申请使用。
不管科学家研究的是生物科学还是什么物理结构,如果要进行微观层面的观测研究,借助于这套设备就能够看清一切,所以它的应用场景相当广泛。
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在其中的一个光束线站,是专门研究生物大分子结构的。记者在科研人员的带领下,利用设备发出的X射线对蛋白质晶体进行了观测,最终呈现出来的是三维结构的清晰图像。
高增强是生物大分子线站的负责人。他还举了一个形象的例子。在新冠疫情期间,清华大学的饶子和院士利用在上海的一套设备,很快就观察到了新冠病毒的主蛋白酶结构。
正是基于观察的结果,对病毒结构的微观了解,科学家才能够设计药物。有针对性的药物能够起到在人体内不让其与相关的小分子结合,最终也就抑制了病毒攻击人体的作用。
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所以在生物研究领域,这套设备能够观察各种各样的微观结构,了解其特性,进而帮助科学家采取和进行更多的有针对性研究。
看不见的地方也很庞大
在另一个硬X线成像站,科研人员展示了用同步辐射光源对食蟹猴的大脑进行的观测和分析。
设备能够将猴脑的结构放大并清晰呈现出来。用宏观的视野去看,动物的大脑很小,但是在微观的世界,这套结构也极其的庞大。
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放大之后,通过设备呈现出来的图像分辨率可以达到惊人的50K像素,而我们日常使用的电脑屏幕只有2K或者是4K。也就是说,放大之后的数据量相当大,如果不经过特殊的处理,普通的设备也难以呈现。一套原始的扫描数据,可能需要1000个硬盘才能储存下来。
不得不说,在人眼看不到的微观世界,其结构也相当的庞大。也正是因为有这套设备的存在,才能够帮助科学家看清微观层面的“宏观结构”。
值得一提的是,如果是在硬X射线成像线站点做脑部CT, 只需要做一套,就可以把整个人脑的内部结构解析出来,那也是一组更庞大的数据。
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因为人的大脑内有800多亿个神经元,这样的规模和宇宙中人类观测到的星星是同量级的。而这套设备从明年初就可以正式展开相关的工作,科研团队已经在推动相关的合作。
能够更清晰地看到大脑内的结构,那么未来对于脑部肿瘤或者是阿尔茨海默症等相关疾病的研究,就会取得更大突破。
现在,国内外的科研团队就等着设备开放使用了。我国投入50亿元的资金建设这套装置,是面向全球用户开放的。截止到目前,已经有百余名用户在排队申请。
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看来,科学界的各个领域,都在急切等待着使用这个“放大镜”进行观测研究。而这样的大国重器,正是我们接下来社会和科学各领域发展的主要底蕴和基础。我国规划的77项重大科学基础设施项目,已有接近一半的项目建成并投入使用。我们在各个领域取得的发展和成就,有很多都跟这些基础科学设施密切相关。
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