“利劍”即將出鞘。解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾攉@悉，位于上海同步輻射光源（簡(jiǎn)稱上海光源）園區(qū)的X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置正在抓緊調(diào)試，這個(gè)長(zhǎng)近300米、寬約30米的裝置將于今年上半年飽和出光。

就在幾個(gè)月前，上海光源線站工程（上海光源二期）、上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置、我國(guó)首臺(tái)軟X射線自由電子激光用戶裝置、活細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能成像平臺(tái)啟動(dòng)建設(shè)。這些項(xiàng)目在2019年建成后，加上已有的上海光源和國(guó)家蛋白質(zhì)中心上海設(shè)施，將組成全球光子科學(xué)研究綜合能力最強(qiáng)的大科學(xué)設(shè)施集聚地之一，成為張江綜合性國(guó)家科學(xué)中心的科學(xué)地標(biāo)。

基礎(chǔ)科學(xué)的創(chuàng)新和前沿問題的探索，離不開核心技術(shù)的突破。這一世界級(jí)光子大科學(xué)裝置群，是上海建設(shè)有國(guó)際影響力的科創(chuàng)中心的重要內(nèi)涵，對(duì)于開拓研究領(lǐng)域、催生源頭創(chuàng)新、推動(dòng)前沿突破起著至關(guān)重要的作用。

光子大科學(xué)裝置產(chǎn)生新的研究手段

人類的發(fā)展從來就離不開對(duì)“光”的利用和開發(fā)。我們平常說到“光”時(shí)，多指可見光。其實(shí)，“光”是一個(gè)很大的家族，依波長(zhǎng)的不同，可分為無線電波、微波、紅外、可見光、紫外、真空紫外、軟X射線、硬X射線和伽馬（γ）射線等。探測(cè)宇宙，可以選用無線電波；跟蹤飛機(jī)，可以選用微波（雷達(dá)）；要“看清”病毒、蛋白質(zhì)分子甚至金屬原子等微觀物體，必須選用與這些微觀物體大小相近或更短波長(zhǎng)的光束，來探究未知的微觀世界。

上海光源的同步輻射光，被科學(xué)家稱之為繼電、X光和激光之后，為人類文明帶來革命性推動(dòng)的新光源。其波長(zhǎng)范圍寬，從遠(yuǎn)紅外到硬X射線連續(xù)可調(diào)，可根據(jù)不同需要選取相應(yīng)波長(zhǎng)的光。

上海光源大廳一角。 海沙爾 攝

為什么張江國(guó)家科學(xué)中心的大科學(xué)裝置群會(huì)集中在光子領(lǐng)域？因?yàn)榭茖W(xué)家們?cè)谶@里能夠利用x射線波段的光子，不僅可以探測(cè)研究物質(zhì)的各種屬性，更為重要的是利用各種能量的光子可以實(shí)現(xiàn)功能動(dòng)態(tài)分子水平上的分析和控制。國(guó)外不乏這樣的例子，全球矚目的引力波，正是來自LIGO（激光干涉引力波觀測(cè)站），它是借助激光干涉儀聆聽來自宇宙深處引力波的大型研究?jī)x器；美國(guó)能源部依托阿貢先進(jìn)光源等三大同步輻射裝置，解決了美國(guó)能源、材料和生物等領(lǐng)域許多前沿科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)。

從國(guó)際上的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)來看，包括歐洲核子中心（CERN）在內(nèi)的大科學(xué)裝置都有兩種以上的光子設(shè)施，從而可以滿足多領(lǐng)域不同的研究需求，最關(guān)鍵的是能夠產(chǎn)生新的研究手段。

不難想象，上海建成世界級(jí)的光子大科學(xué)裝置集群，不僅可以聚焦世界科技前沿探索科學(xué)未知，還可以聚焦國(guó)家戰(zhàn)略和重大需求，以蓬勃的科學(xué)原創(chuàng)力更好地推動(dòng)產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

上海光源是大科學(xué)裝置建設(shè)的成功范例

這并不是一個(gè)偶然。1999年7月，上海光源被確定落址張江高科技園區(qū)。一個(gè)月后，上海市委、市政府頒布了“聚焦張江”的戰(zhàn)略決策，上海將集中力量把張江高科技園區(qū)建設(shè)成技術(shù)創(chuàng)新的示范基地。

由中國(guó)科學(xué)院和上海市政府共同建設(shè)的上海光源于 2004 年 12 月正式開工，經(jīng)過大規(guī)模技術(shù)攻關(guān)與系統(tǒng)集成，在 52 個(gè)月內(nèi)完成了設(shè)備研制、工程建設(shè)和調(diào)試調(diào)束，于2009年5月正式對(duì)國(guó)內(nèi)用戶開放試運(yùn)行。大科學(xué)裝置的建設(shè)過程不同于房屋建造，其建設(shè)本身就是一個(gè)科研的過程。上海光源匯集并發(fā)展了高能加速器和高熱負(fù)載精密光學(xué)工程等新方法、新技術(shù)和新工藝，成功實(shí)現(xiàn)了世界第三代同步輻射光源眾多先進(jìn)技術(shù)的高度集成。

“以世界同類裝置最少的投資和最快的建設(shè)速度，成為國(guó)際上性能指標(biāo)領(lǐng)先的第三代同步輻射光源之一，是我國(guó)大科學(xué)裝置建設(shè)的一個(gè)成功范例。”這是 2010年1月19日上海光源順利通過國(guó)家驗(yàn)收時(shí)得到的一致評(píng)價(jià)。

上海光源亦不負(fù)眾望，它猶如一臺(tái)多用戶的超級(jí)顯微鏡，成為照亮微觀世界的“神奇之光”。“不管是從用戶數(shù)量還是裝置性能來說，上海光源不僅領(lǐng)跑全國(guó)，同時(shí)也處于國(guó)際上同類裝置的第一方陣。”中科院上海應(yīng)用物理研究所所長(zhǎng)趙振堂說。截至2016年底，上海光源已執(zhí)行通過專家評(píng)審的課題申請(qǐng)8638個(gè)，累計(jì)為用戶提供實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)超過22.9萬小時(shí)，用戶遍布全國(guó)422家單位，涵蓋結(jié)構(gòu)生物學(xué)、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、化工、材料科學(xué)、能源、環(huán)境、醫(yī)學(xué)和藥學(xué)等十幾個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。借助上海光源，中科院大連化學(xué)物理研究所包信和院士團(tuán)隊(duì)探索出天然氣直接轉(zhuǎn)化利用的有效方法；中科院微生物研究所高福課題組從分子水平闡釋了一種新的病毒膜融合激發(fā)機(jī)制，加深了人們對(duì)埃博拉病毒入侵機(jī)制的認(rèn)識(shí)；中科院物理研究所丁洪研究員成功發(fā)現(xiàn)隱藏了80余年的“幽靈粒子”外爾費(fèi)米子，榮登歐洲2015年《物理世界》“十大突破”等等。

舉全市之力建一批光子大科學(xué)裝置

“作為張江綜合性國(guó)家科學(xué)中心的重要組成，光子大科學(xué)裝置集群的建設(shè)可謂水到渠成。”市科委基地處有關(guān)負(fù)責(zé)人說，上海光源建成后出了很多原創(chuàng)科技成果。如何更好地集聚張江科技資源，舉全市之力建一批光子大科學(xué)裝置，成為了上海高瞻遠(yuǎn)矚的一次部署。

上海光源現(xiàn)有13條光束線站投入運(yùn)行、2條即將試運(yùn)行，上海光源二期的目標(biāo)是在原有裝置基礎(chǔ)上新建16條光束線站，全面提升上海光源的實(shí)驗(yàn)研究能力。預(yù)計(jì)到2020年，上海光源將有近40條線站建成并向用戶開放，屆時(shí)每年將有近萬名科研工作者利用該裝置開展前沿和應(yīng)用研究。

超強(qiáng)超短激光是已知的最高光強(qiáng)光源，為人類提供了前所未有的極端物理?xiàng)l件與全新實(shí)驗(yàn)手段，自然界中只有在恒星內(nèi)部或黑洞邊緣才能找到的極端條件已有可能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造。如果說激光放大技術(shù)是一座高峰，把脈沖時(shí)間壓縮到趨于無窮小則是一座更高的險(xiǎn)峰。近年來，中科院上海光機(jī)所在超強(qiáng)超短激光研究方面一直處于世界領(lǐng)先地位，2013年研制成功了當(dāng)時(shí)國(guó)際最高峰值功率2拍瓦的激光放大系統(tǒng)。2015年，中科院上海光機(jī)所-上?？萍即髮W(xué)超強(qiáng)激光光源聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在張江正式組建。就在去年8月，科研團(tuán)隊(duì)解決了激光放大和脈沖壓縮的關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了5拍瓦激光脈沖輸出，在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中繼續(xù)保持“領(lǐng)跑”優(yōu)勢(shì)，并有望今年年底實(shí)現(xiàn)10拍瓦激光輸出。據(jù)了解，這一項(xiàng)目預(yù)計(jì)在2018年底將首批建成極端條件材料科學(xué)研究平臺(tái)、超快亞原子物理研究平臺(tái)、超快化學(xué)與大分子動(dòng)力學(xué)研究平臺(tái)等3個(gè)用戶實(shí)驗(yàn)終端，服務(wù)于物質(zhì)科學(xué)與生命科學(xué)的研究。

圖為中科院上海光機(jī)所-上?？萍即髮W(xué)超強(qiáng)激光光源裝置。 趙侃 攝

去年11月，軟X射線自由電子激光用戶裝置、活細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能成像平臺(tái)正式開工建設(shè)。軟X射線有一個(gè)重要的波段被稱為“水窗”，是目前唯一可以對(duì)生物活體細(xì)胞進(jìn)行無損傷三維全息成像和顯微成像的“第四代光源”，由于成像時(shí)間精度達(dá)到飛秒級(jí)，它拍攝到的不是生物分子“照片”，而是“視頻”。活細(xì)胞成像平臺(tái)就是利用“水窗”波段，以納米級(jí)分辨率、飛秒級(jí)速度探測(cè)細(xì)胞奧秘。

過去，許多科學(xué)家耗費(fèi)數(shù)年才解析一個(gè)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，如今為蛋白質(zhì)分子拍一張照只需0.1秒，看清一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，不再以年為計(jì)時(shí)單位，最短只需2分30秒。作為當(dāng)今全球生命科學(xué)領(lǐng)域首家綜合性大科學(xué)裝置，國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（上海）設(shè)施2014年5月開放試運(yùn)行。截至2017年2月，上海設(shè)施已吸引中科院兄弟院所、國(guó)內(nèi)高等院校、國(guó)際醫(yī)藥企業(yè)等近200家單位，以及來自美國(guó)、法國(guó)、西班牙等地的13000多人次優(yōu)秀科學(xué)家，進(jìn)行了2000多項(xiàng)重大前沿創(chuàng)新課題的研究。

高通量克隆構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室，一天可完成960個(gè)蛋白質(zhì)基因的克隆。 黃海華 攝