热门话题: 新型冠状病毒伊朗局势ACG垃圾分类军事

人类有哪些大科学装置?我国又有哪些?| 龚道政

导读

笔者是在高中时听的一场报告上,第一次听说了雪山脚下的CERN 的存在,至今仍然记得当时的震撼,而现在写下这篇文章,希望能够让更多的人感受到大科学装置那种“集人类文明之力,与宇宙尺度进行抗衡”的气魄。

人类有哪些大科学装置?我国又有哪些?

有两个概念,

一个是重大科技基础设施,这个名单非常明确,就在 中国科学院重大科技基础设施 网站上。这个概念应该是从十一五开始,国家开始有计划地公布重大科技基础设施的规划,目前已有十一五,十二五,十三五三批。而之前大概85年以来的一些老的大型的科学工程也被部份挑选进了该名单。

一个是大科学装置,这就是一个很笼统通俗的说法了,并无明确的界定,理论上甚至可以追溯到两弹一星,中国主流媒体给出的表述是:

“大科学装置是指通过较大规模投入和工程建设来完成,建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动,实现重要科学技术目标的大型设施。其科学技术目标必须面向科学技术前沿,为国家经济建设、国家安全和社会发展做出战略性、基础性和前瞻性贡献。”

网上流传的各种大科学装置名单大都大同小异。基于上述的重大科学基础设施名单额外加入不同的装置,而且名单也受年代,以及各种流言的影响。目前中国被称为大科学装置的有一大堆,然而实际上很多都已经不再活跃了,在名单上有凑数嫌疑。而且个人觉得中国还有很多实验装置够得上被称为大科学装置然而并没有被加入。总之,目前应该是没有一个权威的所谓的“大科学装置”名单的。

大科学装置在国外也是有对应的说法的,比较官方的说法比如是美国能源部用的 LargeScale Scientific Instrumentation ,DESY用的 Large-scalefacilities for science ,或者就简单地说Big scientific Instruments 也是没问题的。

我自己是有一定的大科学装置情结的。一方面因为自己在合肥读的物理本科,合肥有一堆大科学装置(不同名单有说建成+计划:3+1,6+2,7+1的),最有名的是同步辐射加速器和EAST全超导托卡马克了。另一方面是它们庞大的尺度本身就自带一种数量级上的暴力美学与浪漫。当你看到以山谷为台址,纵横500米的
FAST 天眼,或者贯穿法国瑞士边境,周长27公里的 LHC
大型强子对撞机,哪怕你对其中的科学细节一无所知,也一样会被这种现代人类文明的奇观所震撼。大科学装置,以及现代的各种超级工程,满足的是从上古的“填海“,”移山”,到现代的以以赤道作为加速器,以行星作为宇宙飞船,这种永恒的对改造大自然的极致的想象。下面就介绍一些国内外比较有代表性的大科学装置。

国内篇

上海光源(SSRF)

中国最先进的世界级同步辐射光源,最显眼的那个大环是周长432米,能量3.5GeV的电子储存环,切向发出同步辐射光,高准直,高偏振,高相干,用来做高精度的X射线散射实验。个人感觉上海光源是少有的外观很有设计感的大科学装置。

500

SSRF

500

SSRF

全超导托卡马克核聚变实验装置(东方超环,EAST)

最近几年经常被报道的“人造太阳”,世界第一个全超导磁体托卡马克核聚变反应装置。2017年实现了持续102秒的长脉冲等离子体放电,目前为该持续最长时间记录的保持者。

500

EAST

500

EAST

 500米口径球面射电望 (贵州天眼,FAST)

近几年的网红望远镜,世界第一大单口径射电望远镜(一说俄罗斯的RATAN-600 的576m口径最大,但是那个设计比较奇葩)。贵州天然喀斯特巨型洼地作为望远镜台址确实给人一种天外神迹的感觉。

500

FAST

500

FAST

中国锦屏极深地下暗物质实验室(CJPL)

由锦屏山水电站的18公里汽车隧道改建而成,上方覆盖2.5公里厚的岩层来隔绝宇宙射线以避免对暗物质探测的干扰,据说是世界最深。CJPL并不出现在目前网上流传的任何一个大科学装置的名单上,但是它非常符合我心目中对于大科学装置的暴力美学的想象,也毫无疑问是中国代表性的大科学装置。

500

CJPL

500

CJPL

 大天区面积多目标光纤光谱天文望镜(郭守敬望镜,LAMOST)

最近因为发现迄今最大恒星级黑洞而小火一把的望远镜,亮点是有4000个主动光纤同时获得4000个天体的光谱,全世界光谱获取效率最高。就是当时选址不小心选在了河北,空气太差发挥不了全部实力,有点憋屈。

500

LAMOST

500

LAMOST

北京正负电子对撞机(BEPC

写该回答之前我的了解仅限于中国第一台高能粒子加速器,相比起国际上动辄上千米的加速器来说显得比较寒碜,相对来说可能人才培养上的意义以及历史意义更重要吧。

500

BEPC

500

BEPC 

神威·太湖之光(SunwayTaihuLight

我个人是觉得没有任何理由不把超级计算机视为大科学装置的。神威·太湖之光占地面积605平米,峰值算力每秒12.5亿亿次,是目前中国最强超算,世界第三。 

500

神威·太湖之光

500

神威·太湖之光

国外篇

大型强子对撞机(LHCCERN), 欧洲

世界最大的粒子加速器,高能物理的圣地。主体是一个周长27公里,横跨法国瑞士的地下隧道。最高质子对撞能量高达

13TeV。2013年证实探测到了“上帝粒子”希格斯玻色子,这也使得希格斯拿到了诺奖。另外,CERN的发展还又一个意想不到的副产品,那就是互联网,这是当年CERN为了内部信息交流而开发的系统。        

500LHC

500

LHC

欧洲联合环状反应炉(JET),欧洲

有一堆世界纪录的核聚变装置:世界最大托卡马克,最高聚变产能(16.1MW),最高等离子体流(7MA),唯一能实现氘氚聚变反应的托卡马克装置。

500

JET

500

JET(左)与正在建设中的下一代核聚变装置ITER(右)对比图

阿卡塔玛大型毫米/亚毫米波天线阵(ALMA),智利

全世界各种巨型望远镜实在太多了,这里挑一个个人觉得最壮观的。ALMA座落于阿卡塔玛沙漠高原,有54座12米口径天线和12座7米天线,天线可以在沙漠上移动,在毫米/亚毫米波波段观测。ALMA也是今年发表轰动世界的黑洞照片的事件视界望远镜项目的重要成员。

500

ALMA

500

ALMA

激光干涉引力波天文台(LIGO),美国

因为首次检测到引力波而闻名世界。在路易斯安娜州各有一个臂长4千米的干涉仪,华盛顿州有一个4千米和一个2千米的干涉仪,三个探测器三角定位引力波源。

500

LIGO-Washington

500

LIGO-Louisiana

超级神冈探测器(Super-K),日本

类似于中国的锦屏山暗物质实验室,位于日本岐阜县飞弹市(也是动漫《你的名字》的取景地哦)的深达1000米的废弃矿山之中,用来探测中微子。1998年观测到观测结果显示中微子具有质量,并因此获得2015年诺奖。

500

Super-K

500

Super-K

SLAC国家加速器实验室(SLAC)美国

原名StanfordLinear Accelerator Centor),长达3.2千米,乃世界最长直线加速器。2006年诺贝尔化学奖得主靠的就是用这个粒子物理实验装置做X-射线衍射实验解转录相关蛋白质的生物大分子结构。

500

SLAC

500

SLAC

Z脉冲功率设施(Z机,Z-machine)美国

世界最大的X射线发生器,每次脉冲产生超过20亿摄氏度的高温等离子体,放出壮观的闪电,十分酷炫。

500

Z-machine

500

Z-machine

冰立方中微子天文台(IceCube),南极

位于美国在南极极点的科考站,南极冰层之下1450米到2450米的一千立方米空间内,部署86条共5160个光学传感器模组来观测中微子。

500

IceCube 

500

IceCube

暂时先写到这里,未来还会有越来多新的更大的大科学装置建成,比如那个日本super-K的升级版hyper-K,斯坦福大学和费米实验室地下的,长达1300千米(主意是千米)的中微子探测器DUNE,正在建设的最大的托卡马克ITER,以及最近再次陷入争议,前途未卜的中国超级电子对撞机CEPC等等。

我自己是在高中时听的一场报告上,第一次听说了雪山脚下的CERN 的存在,至今仍然记得当时的震撼,而现在我写下这篇回答,希望能够让更多的人感受到大科学装置那种“集人类文明之力,与宇宙尺度进行抗衡”的气魄。

免责声明

站务

  • 全国新型冠状病毒感染实时更新

    (数据来自@丁香医生、@人民日报、各省市卫健委)截至 2020-02-23 13:32 全国数据统计现存确诊 51586 例(较昨日-1786)累计确诊 77042 例 (较昨日+650)现存疑似 4148 例(较昨日+882) 现存重症 10968 例(较昨日-509)死亡 2445 例(较昨日+......

全部专栏