近日，在中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場(chǎng)科學(xué)中心，我國科研團隊自主研制的水冷磁體產(chǎn)生了42.02萬(wàn)高斯（即42.02特斯拉）的穩態(tài)磁場(chǎng)，刷新了水冷磁體的世界紀錄。穩態(tài)強磁場(chǎng)是開(kāi)展物質(zhì)科學(xué)前沿研究所需的一種極端條件，也是推動(dòng)重大科學(xué)發(fā)現的利器。這一磁體的成功研制，為科學(xué)家探索新現象、揭示新規律提供了更好的實(shí)驗條件，也為我國建設更高場(chǎng)強的穩態(tài)磁體打下關(guān)鍵技術(shù)基礎。

我國穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置取得重大技術(shù)突破，是科學(xué)研究“向極端條件邁進(jìn)”的重要體現。近年來(lái)，隨著(zhù)理論模型、實(shí)驗技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們將實(shí)驗條件推向前所未有的極限狀態(tài)，在超高溫、超低溫、超高壓、超強磁場(chǎng)等極端條件下，大量科學(xué)現象與規律得以揭示，極大拓展了人類(lèi)的認知邊界，推動(dòng)著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展。

在極端條件下，可揭示自然界的基本規律、物質(zhì)的新?tīng)顟B(tài)以及生命的極限適應能力

什么是極端條件？科學(xué)家能創(chuàng )造哪些極端條件？這些極端條件有哪些作用？

極端條件，是指實(shí)驗室中人為創(chuàng )造出來(lái)的、達到或接近目前技術(shù)極限的單項或綜合物理條件，它們的影響各不相同又相互關(guān)聯(lián)?？茖W(xué)研究向極端條件邁進(jìn)，可以對自然界在極端狀態(tài)下開(kāi)展深入探索。在極端條件下，科學(xué)家們可以揭示自然界的基本規律、物質(zhì)的新?tīng)顟B(tài)以及生命的極限適應能力，從而推動(dòng)物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科的發(fā)展，助力實(shí)現技術(shù)突破。

“在物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域，我們可以把物質(zhì)的狀態(tài)理解為溫度、磁場(chǎng)、壓力等這些基本物理參量的一個(gè)‘函數’，例如水會(huì )隨著(zhù)溫度的變化成為氣態(tài)或固態(tài)，石墨在高溫高壓下會(huì )變成金剛石，很多礦產(chǎn)也是在地球內部高溫高壓的環(huán)境下形成的?！敝袊茖W(xué)院物理研究所副所長(cháng)程金光介紹。

“在一些極端條件下，很多物質(zhì)會(huì )出現常規環(huán)境中難以出現的狀態(tài)?！背探鸸庹f(shuō)，“當我們拓展這些極端條件，就會(huì )觀(guān)察到很多新的物質(zhì)狀態(tài)、新的物理現象。通過(guò)極端條件下的物態(tài)調控，極大拓展了人類(lèi)認知的邊界?！?/p>

早在100多年前，荷蘭科學(xué)家通過(guò)將氦氣液化、將水銀冷卻到零下268.98攝氏度時(shí)，發(fā)現其電阻突然消失，即超導態(tài)。超導態(tài)的發(fā)現，改變了人類(lèi)對物質(zhì)世界的認知，推動(dòng)了能源、交通、信息、醫療等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。

近年來(lái)，極端條件下的科學(xué)研究取得了豐碩成果。比如，在高溫高壓條件下，科學(xué)家們成功合成了新型超導材料，為電力傳輸和電子設備研制提供了新的可能；在超低溫條件下，量子糾纏等奇特現象被觀(guān)測到，為量子計算和量子保密通信等前沿技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎；全球科學(xué)家在穩態(tài)強磁場(chǎng)條件下的科學(xué)研究取得了許多重大成果，這些成果在物理、化學(xué)、材料、生命健康以及工程技術(shù)等方面得到綜合應用……

在程金光所從事的材料科學(xué)領(lǐng)域，探索具有奇異物理性質(zhì)的新材料體系是推動(dòng)凝聚態(tài)物理發(fā)展的強大動(dòng)力。

“高壓技術(shù)在現代凝聚態(tài)物理的研究中正發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用?！背探鸸饨榻B，作為與溫度同等重要的熱力學(xué)參量，高壓可以在很大程度上決定許多固態(tài)反應的方向和速率。在高溫高壓條件下，能夠合成出許多常壓條件下不存在的新型材料。通過(guò)施加高壓，還可以改變決定材料物性非常關(guān)鍵的參數——原子間距離，從而可以精確地調控物性；將超高靜水壓和極低溫、強磁場(chǎng)等極端條件結合在一起，可以探索材料在這些極端條件下的響應，揭示許多奇特并具有潛在應用價(jià)值的物理現象。

極端條件的實(shí)現，往往需要復雜的實(shí)驗設備和精湛的實(shí)驗技術(shù)

前不久，位于北京懷柔科學(xué)城的綜合極端條件實(shí)驗裝置開(kāi)放了今年的第二輪普通課題征集。

綜合極端條件實(shí)驗裝置是北京懷柔科學(xué)城第一個(gè)開(kāi)工的國家重大科技基礎設施，也是國際領(lǐng)先的集多種極端條件為一體的實(shí)驗裝置。它由中國科學(xué)院物理研究所承建、吉林大學(xué)共建，于2017年9月正式啟動(dòng)建設。這里有比地球磁場(chǎng)高出60萬(wàn)倍的強磁場(chǎng)，有接近地心壓強的超高壓，有接近絕對零度（零下273.15攝氏度）的極低溫，還有把時(shí)間“切割”到只有1秒的一億億分之一的超快光場(chǎng)……

近年來(lái)，借助極端條件取得創(chuàng )新突破，已成為科學(xué)研究的一種重要范式。程金光認為：“隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展，物態(tài)調控的手段變得更加精密、復雜，很多重要科學(xué)發(fā)現有賴(lài)于極端條件的突破?！?/p>

“在大科學(xué)時(shí)代，通過(guò)建設先進(jìn)的極端條件實(shí)驗設施，創(chuàng )造極端溫度、極端壓力、超強磁場(chǎng)等極端狀態(tài)，有助于發(fā)現新物質(zhì)、揭示新規律、開(kāi)辟新應用?！敝袊茖W(xué)技術(shù)發(fā)展戰略研究院科技與經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展研究所所長(cháng)陳志認為。

近年來(lái)，我國重大科技基礎設施建設加快推進(jìn)，大科學(xué)裝置日趨完備，為開(kāi)展極端條件下的科學(xué)研究提供了強有力的保障。在華南理工大學(xué)教授殷盼超看來(lái)，建立并發(fā)展集成多種極端條件的實(shí)驗裝置，將為提升我國科學(xué)研究水平、實(shí)現重大原創(chuàng )突破提供重要支撐平臺。

極端條件下的科學(xué)研究往往涉及多學(xué)科交叉，需要不同領(lǐng)域的科學(xué)家緊密合作。中國科學(xué)院院士、復旦大學(xué)副校長(cháng)馬余剛認為，開(kāi)展極端條件下的科學(xué)研究，要重視合作，通過(guò)建立一些多學(xué)科的實(shí)驗室和研究團隊，積極推進(jìn)學(xué)科交叉融合。

“不僅要達到單項的極端條件，還要將不同的極端條件綜合起來(lái)?！背探鸸馀e例，綜合極端條件實(shí)驗裝置有多達20個(gè)實(shí)驗站，其中絕大多數實(shí)驗站都將2至3個(gè)極端條件結合到一起。利用這些綜合極端條件，可以開(kāi)展材料合成、物性表征、量子調控、超快過(guò)程等領(lǐng)域的前沿研究。

極端條件的實(shí)現，往往需要復雜的實(shí)驗設備和精湛的實(shí)驗技術(shù)。馬余剛表示，物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗科學(xué)，涉及極端條件的儀器和裝置很多都是精密儀器、高精度特殊設備。因此，要高度重視科研儀器設備方面的自主創(chuàng )新。

“此外，極端條件下的科學(xué)研究需要既懂實(shí)驗、又懂理論的復合型人才，對人才培養也要充分重視。在建立并發(fā)展集成多種極端條件的實(shí)驗裝置的同時(shí)，還要依托這些科研平臺積極培養人才?！瘪R余剛說(shuō)。

近年來(lái)，科研范式發(fā)生深刻變革。在馬余剛看來(lái)，大規模算力、機器學(xué)習等新的研究手段、研究方式，對極端條件下的科學(xué)研究產(chǎn)生了重要影響?！巴ㄟ^(guò)人工智能輔助計算等手段，已經(jīng)可以很好地模擬一些極端條件，我們要通過(guò)這些科研新范式，把極端條件下的科學(xué)研究繼續引向深入?！?/p>

極端條件為技術(shù)創(chuàng )新提供支撐，服務(wù)經(jīng)濟社會(huì )高質(zhì)量發(fā)展

極端條件不僅在科學(xué)研究方面作用巨大，還能為技術(shù)創(chuàng )新提供支撐?！敖陙?lái)，很多能源、材料領(lǐng)域的突破，都是隨著(zhù)極端條件的拓展取得的。此外，深空、深海、深地等戰略高技術(shù)領(lǐng)域，也是極端條件出現較多、應用較廣的領(lǐng)域?！瘪R余剛介紹，“比如，深海環(huán)境里也可以做中微子研究，深地條件下可以開(kāi)展生命科學(xué)方面的探索?？傊?，極端條件為很多領(lǐng)域打開(kāi)了新天地?！?/p>

極端條件下的科學(xué)研究，也積極服務(wù)經(jīng)濟社會(huì )高質(zhì)量發(fā)展。比如，目前在醫學(xué)領(lǐng)域廣泛應用的結構解析和非侵入性成像——核磁共振技術(shù)，就是強磁場(chǎng)條件催生的應用技術(shù)。再比如，我國穩態(tài)強磁場(chǎng)實(shí)驗裝置投入全面運行后，研發(fā)裝置衍生的成果和依托裝置研究產(chǎn)生的多項成果，如組合掃描探針顯微技術(shù)、國家Ⅰ類(lèi)抗癌創(chuàng )新靶向藥物等，已順利實(shí)現轉化和應用。

在浙江杭州，依托即將開(kāi)工建設的極弱磁大科學(xué)裝置，中國科學(xué)院院士、北京航空航天大學(xué)教授房建成帶領(lǐng)團隊建造了零磁空間縮比樣機，著(zhù)力攻克磁屏蔽等關(guān)鍵技術(shù)，并推動(dòng)相關(guān)成果轉化。

房建成介紹，相比強磁場(chǎng)方面的成果，科學(xué)界對弱磁條件仍知之甚少。近年來(lái)，他和團隊在零磁與近零磁極端條件下，開(kāi)展零磁醫學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、基礎物理和材料學(xué)等方面的基礎研究，產(chǎn)生了一批原創(chuàng )性成果，也實(shí)現了技術(shù)的落地轉化。

專(zhuān)家表示，極端條件科學(xué)研究前景無(wú)比廣闊。展望未來(lái)，科學(xué)研究向極端條件邁進(jìn)將繼續推動(dòng)多個(gè)學(xué)科的發(fā)展，科學(xué)家將能夠更深入地探索極端條件下的物質(zhì)狀態(tài)、生命行為和宇宙演化等科學(xué)問(wèn)題。同時(shí)，極端條件科學(xué)研究也將為新材料、新能源等領(lǐng)域的創(chuàng )新提供重要支撐。

 來(lái)源：《人民日報》