向极端条件迈进，揭示科学新现象（新知·把握科学研究新趋势）
发布时间:2024-10-14 | 发布者： 东东工作室 | 浏览次数： 次
中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心，我国科研团队自主研制的水冷磁体产生了42.02万高斯（即42.02特斯拉）的稳态磁场。
中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心供图
近日，在中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心，我国科研团队自主研制的水冷磁体产生了42.02万高斯（即42.02特斯拉）的稳态磁场，刷新了水冷磁体的世界纪录。稳态强磁场是开展物质科学前沿研究所需的一种极端条件，也是推动重大科学发现的利器。这一磁体的成功研制，为科学家探索新现象、揭示新规律提供了更好的实验条件，也为我国建设更高场强的稳态磁体打下关键技术基础。
我国稳态强磁场实验装置取得重大技术突破，是科学研究“向极端条件迈进”的重要体现。近年来，随着理论模型、实验技术的不断进步，科学家们将实验条件推向前所未有的极限状态，在超高温、超低温、超高压、超强磁场等极端条件下，大量科学现象与规律得以揭示，极大拓展了人类的认知边界，推动着经济社会的发展。
在极端条件下，可揭示自然界的基本规律、物质的新状态以及生命的极限适应能力
什么是极端条件？科学家能创造哪些极端条件？这些极端条件有哪些作用？
极端条件，是指实验室中人为创造出来的、达到或接近目前技术极限的单项或综合物理条件，它们的影响各不相同又相互关联。科学研究向极端条件迈进，可以对自然界在极端状态下开展深入探索。在极端条件下，科学家们可以揭示自然界的基本规律、物质的新状态以及生命的极限适应能力，从而推动物理学、化学、材料科学、生物学等多个学科的发展，助力实现技术突破。
“在物质科学领域，我们可以把物质的状态理解为温度、磁场、压力等这些基本物理参量的一个‘函数’，例如水会随着温度的变化成为气态或固态，石墨在高温高压下会变成金刚石，很多矿产也是在地球内部高温高压的环境下形成的。”中国科学院物理研究所副所长程金光介绍。
“在一些极端条件下，很多物质会出现常规环境中难以出现的状态。”程金光说，“当我们拓展这些极端条件，就会观察到很多新的物质状态、新的物理现象。通过极端条件下的物态调控，极大拓展了人类认知的边界。”
早在100多年前，荷兰科学家通过将氦气液化、将水银冷却到零下268.98摄氏度时，发现其电阻突然消失，即超导态。超导态的发现，改变了人类对物质世界的认知，推动了能源、交通、信息、医疗等领域技术的发展。
近年来，极端条件下的科学研究取得了丰硕成果。比如，在高温高压条件下，科学家们成功合成了新型超导材料，为电力传输和电子设备研制提供了新的可能；在超低温条件下，量子纠缠等奇特现象被观测到，为量子计算和量子保密通信等前沿技术的发展奠定了基础；全球科学家在稳态强磁场条件下的科学研究取得了许多重大成果，这些成果在物理、化学、材料、生命健康以及工程技术等方面得到综合应用……
在程金光所从事的材料科学领域，探索具有奇异物理性质的新材料体系是推动凝聚态物理发展的强大动力。
“高压技术在现代凝聚态物理的研究中正发挥着越来越重要的作用。”程金光介绍，作为与温度同等重要的热力学参量，高压可以在很大程度上决定许多固态反应的方向和速率。在高温高压条件下，能够合成出许多常压条件下不存在的新型材料。通过施加高压，还可以改变决定材料物性非常关键的参数——原子间距离，从而可以精确地调控物性；将超高静水压和极低温、强磁场等极端条件结合在一起，可以探索材料在这些极端条件下的响应，揭示许多奇特并具有潜在应用价值的物理现象。
极端条件的实现，往往需要复杂的实验设备和精湛的实验技术
前不久，位于北京怀柔科学城的综合极端条件实验装置开放了今年的第二轮普通课题征集。
综合极端条件实验装置是北京怀柔科学城第一个开工的国家重大科技基础设施，也是国际领先的集多种极端条件为一体的实验装置。它由中国科学院物理研究所承建、吉林大学共建，于2017年9月正式启动建设。这里有比地球磁场高出60万倍的强磁场，有接近地心压强的超高压，有接近绝对零度（零下273.15摄氏度）的极低温，还有把时间“切割”到只有1秒的一亿亿分之一的超快光场……
近年来，借助极端条件取得创新突破，已成为科学研究的一种重要范式。程金光认为：“随着科学的发展，物态调控的手段变得更加精密、复杂，很多重要科学发现有赖于极端条件的突破。”
“在大科学时代，通过建设先进的极端条件实验设施，创造极端温度、极端压力、超强磁场等极端状态，有助于发现新物质、揭示新规律、开辟新应用。”中国科学技术发展战略研究院科技与经济社会发展研究所所长陈志认为。
近年来，我国重大科技基础设施建设加快推进，大科学装置日趋完备，为开展极端条件下的科学研究提供了强有力的保障。在华南理工大学教授殷盼超看来，建立并发展集成多种极端条件的实验装置，将为提升我国科学研究水平、实现重大原创突破提供重要支撑平台。
极端条件下的科学研究往往涉及多学科交叉，需要不同领域的科学家紧密合作。中国科学院院士、复旦大学副校长马余刚认为，开展极端条件下的科学研究，要重视合作，通过建立一些多学科的实验室和研究团队，积极推进学科交叉融合。
“不仅要达到单项的极端条件，还要将不同的极端条件综合起来。”程金光举例，综合极端条件实验装置有多达20个实验站，其中绝大多数实验站都将2至3个极端条件结合到一起。利用这些综合极端条件，可以开展材料合成、物性表征、量子调控、超快过程等领域的前沿研究。
极端条件的实现，往往需要复杂的实验设备和精湛的实验技术。马余刚表示，物理学是一门实验科学，涉及极端条件的仪器和装置很多都是精密仪器、高精度特殊设备。因此，要高度重视科研仪器设备方面的自主创新。
“此外，极端条件下的科学研究需要既懂实验、又懂理论的复合型人才，对人才培养也要充分重视。在建立并发展集成多种极端条件的实验装置的同时，还要依托这些科研平台积极培养人才。”马余刚说。
近年来，科研范式发生深刻变革。在马余刚看来，大规模算力、机器学习等新的研究手段、研究方式，对极端条件下的科学研究产生了重要影响。“通过人工智能辅助计算等手段，已经可以很好地模拟一些极端条件，我们要通过这些科研新范式，把极端条件下的科学研究继续引向深入。”
极端条件为技术创新提供支撑，服务经济社会高质量发展