“如果说未来科技是一个充满无限可能的魔盒，那么大科学装置无疑是一把用来开启它的钥匙。”我国知名化学家和纳米科技专家、中国科学院院士白春礼曾撰文称，“创造更高能量、更大密度、更短时间、更高强度等极限研究条件，能够帮助我们不断向科学技术广度和深度进军。”


在北京怀柔，一批面向未来的“超级钥匙”正在发挥其惊人的威力，人们称其为“大科学装置”。


近日，新京报贝壳财经记者跟随“活力中国行”来到怀柔综合性国家科学中心，截至目前，这里已建设37个设施平台，其中有6个国家重大科技基础设施（即大科学装置），成为全国密度最高的设施平台集群。


高能同步辐射光源装置鸟瞰图。受访者供图


从探索物质极限的综合极端条件实验装置，到洞悉原子微观世界的高能同步辐射光源（HEPS），这些高深莫测的顶尖科研设施，正以其独特优势吸引着全球的顶尖科研团队、产业专家，带着科学问题或实际应用中遇到的难题前来解密。


突破科学上限，大科学装置排队“做实验”


科幻小说《三体》中，外星文明为了锁死人类的科技，派出“智子”干扰地球的高能粒子加速器。此后，人类虽然在医学、航天等应用工程领域取得不少成就，造出了庞大的太空舰队，但由于基础物理被锁死，最终在坚不可摧的“水滴”面前全军覆没。


尽管这只是小说中的情节，却揭示了一个现实中的道理：工程技术能把现有成果做到极致，但决定上限的依然是基础科学。


基础研究在当下或许很难看到立竿见影的成效，但在未来价值不可限量。要想打破这层科技的“上限”，人类只有借助最顶尖的工具，去“看到”以前看不到的微观真相。


北京怀柔的大科学装置，正是为突破这些基础科学边界而生。比如，要弄清物质在极端状态下会有什么奇妙变化，就需要集超高压、极低温、强磁场等条件于一体的综合极端条件实验装置；而想要看清原子、分子的内部结构，就需要像高能同步辐射光源这样能发出极亮X光的“超级显微镜”。


人类突破科技上限的科研需求始终存在，也因此，稀缺的顶尖装置一旦成型，在全球都具有极大的吸引力。


2025年12月3日，高能同步辐射光源启动试运行，向全球用户开放试用课题实验，目前正在开展第四轮试运行用户实验。中国科学院高能物理研究所副所长、高能同步辐射光源常务副总指挥董宇辉介绍，截至今年4月30日，高能光源共计提供7632.5小时机时，支持了107个单位的295个课题，用户不仅覆盖清华大学、北京大学、新加坡国立大学、英国伦敦大学学院等国内外顶尖高校，还包括比亚迪、宁德时代等头部企业。


“来自英国剑桥大学卡文迪许实验室的科研团队，早在项目建设时就已经对此产生兴趣，目前也是来实验站次数最多的海外用户。”中国科学院物理所综合极端条件实验装置已经开始排队。


极低温强磁场量子振荡测量实验站负责人李岗介绍，该实验站吸引了北京大学、浙江大学、华中科技大学、马克斯-普朗克研究院固体化学所等国内外高校及研究机构的课题组。


中国科学院物理所极低温强磁场量子振荡测量实验站。受访者供图


用超级显微镜，“看透”高铁车轮


利用这些大科学装置进行的研究，并非只停留在基础科学的象牙塔尖。


“在高能同步辐射光源装置上已经进行了很多面向产业应用的工作，包括在飞机、高铁、轮船、潜水器等装备上使用的材料和部件，以及生命健康相关的工作。”董宇辉介绍，高能同步辐射光源的不少课题直接来自企业需求。


在高能同步辐射光源的工程材料线站，“采用高能同步辐射表征高铁车轮踏面残余应力”的实验正在进行。高速列车车轮是列车与轨道接触的唯一部件，而车轮内部保持自相平衡的“残余应力”，贯穿车轮制造、热处理及服役的全寿命周期，是影响车轮服役寿命和安全性的关键因素。


想要真正看透高铁车轮，实现“残余应力”表征并非易事。高铁车轮本身是个“大块头”，常规X射线难以正面穿透，且突出的轮缘更是把探测光路挡得严严实实，导致传统的直射透射式衍射方法在这里完全碰壁。


面对这一工业界的棘手难题，中国科学院高能物理研究所特聘青年研究员、高能同步辐射光源线站科学家张星星团队，依托具备高能量、高通量、高分辨的优势的工程材料线站，巧妙地通过掠入射反射式衍射和掠入射透射式衍射方法，并联合工程材料线站杨一鸣团队、中国钢研集团王海舟院士团队、铁科院集团公司金化所、宝武集团马钢轨交材料科技股份有限公司和中车长春轨道客车股份有限公司等产学研团队，在国内首次实现自主化高速列车车轮服役前后踏面轮轨接触区域残余应力的无损、精确、快速表征，为后续系统性评估车轮服役可靠性和安全性提供了可靠的技术手段和实验数据支撑。


高能同步辐射光源工程材料线站的高铁轮毂实验照片。受访者供图


“大科学装置被称为国之重器，不仅是因为建设耗资大、耗时长，更在于其性能世界领先，目标是解决国家最重大的科技问题。”董宇辉谈道，大科学装置解决的是单一科研团队难以突破的复杂问题，既包括基础科学领域的核心前沿难题，也涵盖产业技术进入“无人区”后面临的应用基础研究瓶颈。


从追问光与电子的极限物理规律，到为飞驰的高铁装上“安全透视眼”，大科学装置正如那把开启未来科技魔盒的钥匙，打开的不仅是微观世界的秘密，也重新定义了科学与产业的边界。


新京报贝壳财经记者 张晓慧


编辑 王进雨


校对 柳宝庆