仰观宇宙的大国重器

“回望百年，崇尚科学，自立自强。”这是今年浦东科技节的主题。今年是建党一百周年，也是“十四五”规划的开局之年。在中国的复兴之路上，科技扮演着至关重要的角色，也体现着我国综合国力的进步。其中，大科学装置就是重要的代表。

作为浦东科技节的一部分，中国科大上海研究院的公益科普平台墨子沙龙于5月23日打开大门，迎接全市对科技感兴趣的小朋友。

“我想知道，我们可以像《三体》那样对外星人发送信号，并且收到回应吗？”这是一位小观众对FAST工程青年研究员姚蕊的提问。大家耳熟能详的FAST,全称是“500米口径球面射电望远镜”，它建在贵州群山深处一个被称作“大窝凼”的巨型喀斯特洼地里，是全中国乃至全世界天文学家仰观宇宙的“眼睛”，人们称它为“天眼”。

 四百年前，伽利略用他那台天文望远镜指向天空，从此，人类的目光就再也没有从广袤无垠的宇宙中移开。1932年，人类第一次捕捉到来自太空的无线电波，天文学进入射电时代。短短几十年，射电天文学已经为人类带来了包括脉冲星、星际分子、微波背景辐射、类星体在内的众多重要发现，展示出巨大的价值，所以人类一直想要建设更高分辨率、更高灵敏度的射电望远镜。

 在人类仰望星空的征途上，中国人不应该缺席。上世纪90年代，中国科学家开始考虑要建设自己的高灵敏度射电望远镜，并推动项目于2001年预研立项。想要在灵敏度上有所突破，就要扩展它的面积，中国的科学家和工程师们经过艰苦卓绝的努力，终于突破了射电望远镜的百米极限，将500米口径、瞬时有效接收面积300米的射电望远镜变成了可能会实现的蓝图。
    2006年的时候，FAST正式立项。科学家誓将蓝图变成现实。可真正投入建设，才发现困难更多。高分辨率、高灵敏度的天文观测能力，背后要求尽可能小的背景噪声、远超既有技术水平的精密加工和测控技术，这需要的不仅是我国科学家的智慧，更体现了我国整体的工业发展水平。2019年4月，FAST通过了工艺验收，所有指标都一次性满足最初的设计要求。
    FAST投入使用以来，已经发现了340余颗脉冲星，发表的高水平论文达到80余篇，它像个蓬勃进取的青年，生机勃勃地为全国甚至全世界的天文学家提供服务。回想FAST的建设过程，姚蕊感慨良多：从天马行空的设想、到建设成功、投入使用，团队一直在质疑声中努力前进，最终用出色的表现证明了项目的意义。未来，FAST将在科学家和工程师们的保驾护航下，为人类带来更激动人心的来自宇宙的信息。

 如果说深山中的FAST是家喻户晓的科技明星，那么，正在建设中的江门中微子实验室和地下2400米的锦屏山暗物质实验室，在公众眼中可就显得稍有些寂寞了。在此次的活动中，中科院高能物理研究所的曹俊研究员和上海交通大学的刘江来教授也带着他们的“大国重器”，来到了墨子沙龙科技节专场。

 中微子被称为幽灵粒子，1998年，日本发现大气中微子振荡之后，科学家立即意识到，这也许会改变我们最基本的理论，帮助我们重新理解宇宙是怎么运转的。

 在中微子研究方面，日本一直走在前列，不过，他们的神冈实验最初的目标是寻找质子衰变。但是小柴昌俊并没有实现这个目标，反而意外地发现了超新星爆发释放的中微子，并主要因此被授予了2002年的诺贝尔奖。

 世界上各国的科学家都尝试用自己的方法探测中微子。2015年，两位科学家——梶田隆章和麦克唐纳，因为发现中微子的振荡现象，证实了中微子有质量，被授予了诺贝尔奖。这种超出粒子物理标准模型的新现象，预示着我们需要对基本的物理规律重新理解，甚至还会帮助我们解释宇宙的起源和演化。

 我们知道，中微子有3种振荡模式，在大亚湾实验之前，“大气中微子实验”和“太阳中微子实验”已经探测到了其中的两种，唯独一种叫θ₁₃的振荡可能是由于太小，还没有被观测到。寻找这第三种振荡，成为了国际同行竞争的热点，但最后成功建成实验装置的寥寥无几，我们中国的大亚湾反应堆中微子实验就位列其中。

 与FAST一样，大亚湾反应堆中微子实验建设的过程同样充满艰辛，从选址布局、到技术攻关，一路摸索、一路前进，终于在2012年，我国赶在其他国家之前，发现了新的中微子振荡，打开了未来的中微子研究大门。2020年12月，运行了九年的大亚湾实验停止运行，它不仅完成了既定的科学目标，还取得了其他有科学价值的成果，这些是中国科学家对世界科学界做出的巨大贡献。

 接下来，中国科学家不会止步，江门中微子实验寄托了他们更大的科学雄心，也将面临更多的技术挑战。江门中微子实验将与美国的沙丘实验、日本的顶级神冈一起，各自发挥自己的优势，探索宇宙的未解之谜。
   我们都知道，“悟空”号的主要任务是探测暗物质，而位于地下2400米深处，也有一个探测暗物质的实验室，这就是中国建在四川锦屏山的暗物质实验室，那里进行着两项重要的实验：使用液氙探测大质量暗物质的 “熊猫X”（PandaX）实验，使用高纯锗探测轻质量暗物质的“盘古”(CDEX)实验。

 科学界普遍认同，如果要形成我们今天看到的宇宙，仅靠可见物质是远远不够的。高速运转的天体，如果没有暗物质提供的引力，是不可能形成今天的宇宙结构的。暗物质很可能跟中微子一样，弥散在整个宇宙中间，无处不在。

  PandaX暗物质实验发言人刘江来教授带给我们暗物质粒子探测的故事。相比于“悟空”卫星在太空中寻找暗物质的踪迹，地下的锦屏山PandaX暗物质实验则是练就另一套武功——用液氙探测大质量暗物质。中微子如果撞击探测器，打出的电子或原子核所携带的信号就会告诉我们答案。
    虽然原理说起来很简单，但实际实施起来就不是一件容易的事。中国科学家走入2400米的地下，屏蔽各种宇宙射线，在一个极干净的环境下，去寻找最微妙的暗物质踪迹。虽然目前为止，还没有发现暗物质粒子，但是经过科学家不懈的努力，设备在灵敏度等重要指标上取得了十分重要的进展。目前，科学家还在朝着更高灵敏度前进，争取将灵敏度再提高一个数量级，以早日发现暗物质的踪迹。

 正如刘江来教授所说，人类作为宇宙中的智慧生物，最为关心的课题可以概括为“两暗一黑三起源”，也就是暗物质、暗能量、黑洞，以及宇宙起源、天体起源、生命起源。探索的道路曲折幽深，当我们仰望星空，这些大国重器就是我们的双眼，帮助我们向宇宙深处要终极的答案。

 此次科技节活动，墨子沙龙不仅带来了三位“大国重器”的“发言人”，还为公众和小朋友准备了最妙趣横生的科学小节目——知识小竞赛让孩子们既学习到知识，又奖品拿到手软；魔幻炫丽的科学表演让观众如梦似幻；活动还准备了可以让孩子自己动手的科学小实验，自己动手探索光学、电学、磁学的秘密……孩子们收获满满，充满成就感和对科学的好奇心。

 科学家的工作是困难和充满挑战的，但是科学本身却是魅力无穷的。科学家在不断向上探索人类智慧边界，但是科学和技术却可以走到普罗大众身边，带给我们更美好的生活和更快乐的体验。

 科技节上，这些向公众讲述的科学重器，就是最好的注脚——科学既是人类与宇宙对话的方式，引领我们追问真理；科学也是彰显国家实力和技术进步的最美图像，激发我们作为中国人的自信和自豪。

撰稿：林梅

审读：王佳