近日，在中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心，我國科研團隊自主研制的水冷磁體產生了42.02萬高斯（即42.02特斯拉）的穩態磁場，刷新了水冷磁體的世界紀錄。穩態強磁場是開展物質科學前沿研究所需的一種極端條件，也是推動重大科學發現的利器。這一磁體的成功研制，為科學家探索新現象、揭示新規律提供了更好的實驗條件，也為我國建設更高場強的穩態磁體打下關鍵技術基礎。
我國穩態強磁場實驗裝置取得重大技術突破，是科學研究“向極端條件邁進”的重要體現。近年來，隨著理論模型、實驗技術的不斷進步，科學家們將實驗條件推向前所未有的極限狀態，在超高溫、超低溫、超高壓、超強磁場等極端條件下，大量科學現象與規律得以揭示，極大拓展了人類的認知邊界，推動著經濟社會的發展。
在極端條件下，可揭示自然界的基本規律、物質的新狀態以及生命的極限適應能力
什么是極端條件？科學家能創造哪些極端條件？這些極端條件有哪些作用？
極端條件，是指實驗室中人為創造出來的、達到或接近目前技術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聯。科學研究向極端條件邁進，可以對自然界在極端狀態下開展深入探索。在極端條件下，科學家們可以揭示自然界的基本規律、物質的新狀態以及生命的極限適應能力，從而推動物理學、化學、材料科學、生物學等多個學科的發展，助力實現技術突破。
“在物質科學領域，我們可以把物質的狀態理解為溫度、磁場、壓力等這些基本物理參量的一個‘函數’，例如水會隨著溫度的變化成為氣態或固態，石墨在高溫高壓下會變成金剛石，很多礦產也是在地球內部高溫高壓的環境下形成的。”中國科學院物理研究所副所長程金光介紹。
“在一些極端條件下，很多物質會出現常規環境中難以出現的狀態。”程金光說，“當我們拓展這些極端條件，就會觀察到很多新的物質狀態、新的物理現象。通過極端條件下的物態調控，極大拓展了人類認知的邊界。”
早在100多年前，荷蘭科學家通過將氦氣液化、將水銀冷卻到零下268.98攝氏度時，發現其電阻突然消失，即超導態。超導態的發現，改變了人類對物質世界的認知，推動了能源、交通、信息、醫療等領域技術的發展。
近年來，極端條件下的科學研究取得了豐碩成果。比如，在高溫高壓條件下，科學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測到，為量子計算和量子保密通信等前沿技術的發展奠定了基礎；全球科學家在穩態強磁場條件下的科學研究取得了許多重大成果，這些成果在物理、化學、材料、生命健康以及工程技術等方面得到綜合應用……
在程金光所從事的材料科學領域，探索具有奇異物理性質的新材料體系是推動凝聚態物理發展的強大動力。
“高壓技術在現代凝聚態物理的研究中正發揮著越來越重要的作用。”程金光介紹，作為與溫度同等重要的熱力學參量，高壓可以在很大程度上決定許多固態反應的方向和速率。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。通過施加高壓，還可以改變決定材料物性非常關鍵的參數——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值的物理現象。
極端條件的實現，往往需要復雜的實驗設備和精湛的實驗技術
前不久，位于北京懷柔科學城的綜合極端條件實驗裝置開放了今年的第二輪普通課題征集。
綜合極端條件實驗裝置是北京懷柔科學城第一個開工的國家重大科技基礎設施，也是國際領先的集多種極端條件為一體的實驗裝置。它由中國科學院物理研究所承建、吉林大學共建，于2017年9月正式啟動建設。這里有比地球磁場高出60萬倍的強磁場，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，還有把時間“切割”到只有1秒的一億億分之一的超快光場……
近年來，借助極端條件取得創新突破，已成為科學研究的一種重要范式。程金光認為：“隨著科學的發展，物態調控的手段變得更加精密、復雜，很多重要科學發現有賴于極端條件的突破。”
“在大科學時代，通過建設先進的極端條件實驗設施，創造極端溫度、極端壓力、超強磁場等極端狀態，有助于發現新物質、揭示新規律、開辟新應用。”中國科學技術發展戰略研究院科技與經濟社會發展研究所所長陳志認為。
近年來，我國重大科技基礎設施建設加快推進，大科學裝置日趨完備，為開展極端條件下的科學研究提供了強有力的保障。在華南理工大學教授殷盼超看來，建立并發展集成多種極端條件的實驗裝置，將為提升我國科學研究水平、實現重大原創突破提供重要支撐平臺。
極端條件下的科學研究往往涉及多學科交叉，需要不同領域的科學家緊密合作。中國科學院院士、復旦大學副校長馬余剛認為，開展極端條件下的科學研究，要重視合作，通過建立一些多學科的實驗室和研究團隊，積極推進學科交叉融合。
“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。”程金光舉例，綜合極端條件實驗裝置有多達20個實驗站，其中絕大多數實驗站都將2至3個極端條件結合到一起。利用這些綜合極端條件，可以開展材料合成、物性表征、量子調控、超快過程等領域的前沿研究。
極端條件的實現，往往需要復雜的實驗設備和精湛的實驗技術。馬余剛表示，物理學是一門實驗科學，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新。
“此外，極端條件下的科學研究需要既懂實驗、又懂理論的復合型人才，對人才培養也要充分重視。在建立并發展集成多種極端條件的實驗裝置的同時，還要依托這些科研平臺積極培養人才。”馬余剛說。
近年來，科研范式發生深刻變革。在馬余剛看來，大規模算力、機器學習等新的研究手段、研究方式，對極端條件下的科學研究產生了重要影響。“通過人工智能輔助計算等手段，已經可以很好地模擬一些極端條件，我們要通過這些科研新范式，把極端條件下的科學研究繼續引向深入。”
極端條件為技術創新提供支撐，服務經濟社會高質量發展
極端條件不僅在科學研究方面作用巨大，還能為技術創新提供支撐。“近年來，很多能源、材料領域的突破，都是隨著極端條件的拓展取得的。此外，深空、深海、深地等戰略高技術領域，也是極端條件出現較多、應用較廣的領域。”馬余剛介紹，“比如，深海環境里也可以做中微子研究，深地條件下可以開展生命科學方面的探索。總之，極端條件為很多領域打開了新天地。”
極端條件下的科學研究，也積極服務經濟社會高質量發展。比如，目前在醫學領域廣泛應用的結構解析和非侵入性成像——核磁共振技術，就是強磁場條件催生的應用技術。再比如，我國穩態強磁場實驗裝置投入全面運行后，研發裝置衍生的成果和依托裝置研究產生的多項成果，如組合掃描探針顯微技術、國家Ⅰ類抗癌創新靶向藥物等，已順利實現轉化和應用。
在浙江杭州，依托即將開工建設的極弱磁大科學裝置，中國科學院院士、北京航空航天大學教授房建成帶領團隊建造了零磁空間縮比樣機，著力攻克磁屏蔽等關鍵技術，并推動相關成果轉化。
房建成介紹，相比強磁場方面的成果，科學界對弱磁條件仍知之甚少。近年來，他和團隊在零磁與近零磁極端條件下，開展零磁醫學、生物學、化學、基礎物理和材料學等方面的基礎研究，產生了一批原創性成果，也實現了技術的落地轉化。
專家表示，極端條件科學研究前景無比廣闊。展望未來，科學研究向極端條件邁進將繼續推動多個學科的發展，科學家將能夠更深入地探索極端條件下的物質狀態、生命行為和宇宙演化等科學問題。同時，極端條件科學研究也將為新材料、新能源等領域的創新提供重要支撐。
來源：《人民日報》
