位于青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖鎮(zhèn)賽什騰山區(qū)域的冷湖天文觀測(cè)基地。
在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所粒子天體中心，中國(guó)“極目”空間望遠(yuǎn)鏡首席科學(xué)家熊少林檢查望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行狀態(tài)。
習(xí)近平總書記在全國(guó)科技大會(huì)、國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)、兩院院士大會(huì)上指出：“當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展。科學(xué)研究向極宏觀拓展、向極微觀深入、向極端條件邁進(jìn)、向極綜合交叉發(fā)力，不斷突破人類認(rèn)知邊界?！?/p>
歷史經(jīng)驗(yàn)表明，每一次科技革命都會(huì)帶動(dòng)生產(chǎn)力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，對(duì)人類生產(chǎn)生活方式、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革重大機(jī)遇，了解和掌握科學(xué)研究的趨勢(shì)和特征至關(guān)重要。
“科學(xué)研究向極宏觀拓展、向極微觀深入、向極端條件邁進(jìn)、向極綜合交叉發(fā)力”，這“四極”的具體內(nèi)涵是什么？將對(duì)科研工作帶來(lái)哪些影響？本版今起推出“把握科學(xué)研究新趨勢(shì)”系列報(bào)道，介紹相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展和發(fā)展方向。
——編者
近日，中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)高分辨率的磁流體動(dòng)力學(xué)模擬，成功揭示了太陽(yáng)低層大氣中一種前所未有的快速磁重聯(lián)現(xiàn)象。
磁重聯(lián)在宇宙中極為普遍，對(duì)于解釋宇宙中的各種磁能釋放現(xiàn)象至關(guān)重要。此次新發(fā)現(xiàn)不僅揭示了太陽(yáng)低層大氣中快速磁重聯(lián)的物理機(jī)制，獲得與觀測(cè)結(jié)果相近的極大磁重聯(lián)速率，還為理解其他非完全電離環(huán)境中的磁能釋放過(guò)程提供了新的視角。
對(duì)宇宙磁重聯(lián)現(xiàn)象的研究是人類探索認(rèn)識(shí)宏觀宇宙奧秘的視角之一。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，科學(xué)研究呈現(xiàn)出向極宏觀拓展的趨勢(shì)和特征。
“科學(xué)研究向極宏觀拓展”的內(nèi)涵是什么？有何重要意義？又會(huì)給科研工作帶來(lái)哪些改變？記者采訪了相關(guān)專家。
向更大的宇宙空間尺度和宇宙時(shí)間尺度邁進(jìn)
愛(ài)因斯坦曾預(yù)言，未來(lái)科學(xué)的發(fā)展，無(wú)非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進(jìn)軍。如今，宏觀世界大至天體運(yùn)行、星系演化、宇宙起源，微觀世界小至基因編輯、粒子結(jié)構(gòu)、量子調(diào)控，都是當(dāng)今世界科技發(fā)展的最前沿。
什么是向極宏觀拓展？“向極宏觀拓展，實(shí)際上是研究對(duì)象的拓展，從地球延展到天體和宇宙?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院科技與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展研究所所長(zhǎng)陳志說(shuō)。
中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院院長(zhǎng)潘教峰認(rèn)為，宏觀和微觀是相對(duì)的，都是站在人類的視角去進(jìn)行觀察。極宏觀更多可以從尺度概念上去理解，即向更大的宇宙空間尺度和宇宙時(shí)間尺度邁進(jìn)。
自古以來(lái)，人類就對(duì)宇宙充滿了好奇和向往。早在2000多年前，詩(shī)人屈原就在《天問(wèn)》中對(duì)宇宙發(fā)出疑問(wèn)：“天何所沓？十二焉分？日月安屬？列星安陳？”天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)明后，人類逐步打開(kāi)了科學(xué)認(rèn)識(shí)、深入研究宇宙的大門。
潘教峰說(shuō)：“射電望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，讓人類觀測(cè)宇宙的尺度拓展到150億光年左右的時(shí)空區(qū)域。如今，隨著觀測(cè)手段日益豐富、技術(shù)不斷提高，對(duì)宇宙的研究也從定性描述發(fā)展到了精確時(shí)代，可以對(duì)宇宙物質(zhì)組分的演化分布進(jìn)行更精確的計(jì)算和分析。”
正如科學(xué)家所解釋的，對(duì)宇宙的研究正向極宏觀拓展。當(dāng)前，宏觀宇宙學(xué)的研究焦點(diǎn)主要是“兩暗一黑三起源”?！啊畠砂怠侵赴滴镔|(zhì)、暗能量，‘一黑’是指黑洞，‘三起源’是指宇宙起源、天體起源和生命起源?！标愔菊f(shuō)，這些方面一旦取得重大突破，將使人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)實(shí)現(xiàn)新的重大飛躍，可能引發(fā)新的物理學(xué)革命。
把人類對(duì)客觀物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)提升到前所未有的新高度
科學(xué)研究向極宏觀拓展，一些基本科學(xué)問(wèn)題正在孕育重大突破。隨著觀測(cè)技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，人類對(duì)宇宙起源和演化、黑洞、暗物質(zhì)與暗能量等的認(rèn)知也越來(lái)越深入，把人類對(duì)客觀物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)提升到前所未有的新高度。
比如，人類對(duì)黑洞的不斷探索打開(kāi)了宇宙和天體起源的新視野。黑洞是宇宙空間內(nèi)存在的一種超高密度天體，即使光也無(wú)法逃脫它的引力束縛，儀器和肉眼都無(wú)法直接觀測(cè)到。1964年，人類發(fā)現(xiàn)了第一顆恒星級(jí)黑洞。之后，科學(xué)家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了更多的黑洞。
分布在全球8個(gè)不同地區(qū)的射電望遠(yuǎn)鏡組成觀測(cè)陣列網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)近2年觀測(cè)和后期海量數(shù)據(jù)分析處理，于2019年4月發(fā)布了一個(gè)距離地球5500萬(wàn)光年、質(zhì)量為太陽(yáng)65億倍的黑洞的照片，這是人類首次看到黑洞的“面貌”。
對(duì)黑洞的形成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)于更深入認(rèn)識(shí)宇宙的演化具有重要意義。國(guó)際上很多重要的天文設(shè)施，如美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)、意大利室女座引力波天文臺(tái)等，都把探測(cè)研究黑洞作為一項(xiàng)重要任務(wù)。
我國(guó)科學(xué)家也一直致力于黑洞研究，并取得了一批重大原創(chuàng)成果。2019年11月，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)依托我國(guó)自主研制的郭守敬望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞，并提供了一種尋找黑洞的新方法。
“理論預(yù)計(jì)，銀河系中有數(shù)千萬(wàn)個(gè)黑洞，目前，我們繼續(xù)利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡去發(fā)現(xiàn)銀河系中更多的黑洞?！敝袊?guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)劉繼峰說(shuō)。
對(duì)引力波的探測(cè)研究開(kāi)辟了探究宇宙起源的新途徑，不亞于黑洞研究的意義。
早在一個(gè)多世紀(jì)前，愛(ài)因斯坦就基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，但直到2015年，科學(xué)家才探測(cè)到引力波信號(hào)，標(biāo)志著引力波天文時(shí)代的開(kāi)啟，為研究宇宙起源與演化開(kāi)辟了新的途徑，也在全球掀起了引力波探測(cè)熱潮。
據(jù)陳志介紹，我國(guó)近年來(lái)先后啟動(dòng)了多項(xiàng)探測(cè)引力波的項(xiàng)目，比如“太極計(jì)劃”“天琴計(jì)劃”，以及建設(shè)阿里原初引力波觀測(cè)站等。
其中，“中國(guó)天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，在未知星體、未知宇宙現(xiàn)象、未知宇宙規(guī)律等領(lǐng)域，依托大科學(xué)裝置和空間科學(xué)衛(wèi)星進(jìn)行系統(tǒng)部署，開(kāi)辟了引力波研究新時(shí)代。
引發(fā)科研范式的改變
科學(xué)研究向極宏觀拓展，正在引發(fā)科研范式的改變。
潘教峰說(shuō)：“重大理論發(fā)現(xiàn)和科學(xué)突破越來(lái)越依賴于先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝備和重大科技基礎(chǔ)設(shè)施等科研條件的支撐。例如，‘中國(guó)天眼’的建成和運(yùn)行就極大拓展了人類觀察宇宙的邊界?！?/p>
除了“中國(guó)天眼”外，一批性能更為先進(jìn)的大科學(xué)裝置正在加快建設(shè)。例如，由多國(guó)合作、正在建設(shè)中的平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡由位于澳大利亞西部的低頻陣列和位于南非的中頻陣列兩部分組成，接收面積約1平方公里。這是人類有史以來(lái)建造的最大的天文裝置，預(yù)計(jì)2030年前后投入使用。中國(guó)也是該平方公里陣列天文臺(tái)的創(chuàng)始成員國(guó)之一，積極參與承擔(dān)了中頻天線結(jié)構(gòu)、伺服控制系統(tǒng)、低頻頻率分發(fā)系統(tǒng)、科學(xué)數(shù)據(jù)處理等建設(shè)和研究工作。
與此同時(shí)，宇宙觀測(cè)帶來(lái)海量數(shù)據(jù)，亟須人工智能等先進(jìn)技術(shù)的幫助。基于海量數(shù)據(jù)計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)研究方式下很難發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。
隨著科學(xué)研究不斷向極宏觀拓展，科研任務(wù)的復(fù)雜度和系統(tǒng)性也不斷增加，科學(xué)研究進(jìn)入分工協(xié)作、整體推進(jìn)的大科學(xué)新階段。在這樣的背景下，科學(xué)問(wèn)題難度越來(lái)越大，科學(xué)研究的組織化程度越來(lái)越高，很多研究課題并非單一研究領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)或短時(shí)間內(nèi)能夠解決，而是需要大規(guī)模人員參與、分工合作才能完成。
陳志說(shuō)：“為此，極宏觀科研活動(dòng)需要頂層謀劃、統(tǒng)籌部署、分工明確、協(xié)同推進(jìn)，全方位、多層次、寬領(lǐng)域協(xié)同。比如，為獲得這張5500萬(wàn)光年外的黑洞照片，就組織了全球30多個(gè)研究所的科研人員共同參與?！?/p>
“人類探索宇宙永無(wú)止境，隨著科學(xué)研究向極宏觀不斷拓展，我們對(duì)宇宙的認(rèn)知也會(huì)不斷被刷新。”潘教峰說(shuō)。
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