人類有哪些大科學裝置？我國又有哪些？| 龔道政_風聞

风云之声-风云之声官方账号-2020-01-17 21:57

2020-01-17

導讀

筆者是在高中時聽的一場報告上，第一次聽説了雪山腳下的CERN 的存在，至今仍然記得當時的震撼，而現在寫下這篇文章，希望能夠讓更多的人感受到大科學裝置那種“集人類文明之力，與宇宙尺度進行抗衡”的氣魄。

人類有哪些大科學裝置？我國又有哪些？

有兩個概念，

一個是重大科技基礎設施，這個名單非常明確，就在中國科學院重大科技基礎設施網站上。這個概念應該是從十一五開始，國家開始有計劃地公佈重大科技基礎設施的規劃，目前已有十一五，十二五，十三五三批。而之前大概85年以來的一些老的大型的科學工程也被部份挑選進了該名單。

一個是大科學裝置，這就是一個很籠統通俗的説法了，並無明確的界定，理論上甚至可以追溯到兩彈一星，中國主流媒體給出的表述是：

“大科學裝置是指通過較大規模投入和工程建設來完成，建成後通過長期的穩定運行和持續的科學技術活動，實現重要科學技術目標的大型設施。其科學技術目標必須面向科學技術前沿，為國家經濟建設、國家安全和社會發展做出戰略性、基礎性和前瞻性貢獻。”

網上流傳的各種大科學裝置名單大都大同小異。基於上述的重大科學基礎設施名單額外加入不同的裝置，而且名單也受年代，以及各種流言的影響。目前中國被稱為大科學裝置的有一大堆，然而實際上很多都已經不再活躍了，在名單上有湊數嫌疑。而且個人覺得中國還有很多實驗裝置夠得上被稱為大科學裝置然而並沒有被加入。總之，目前應該是沒有一個權威的所謂的“大科學裝置”名單的。

大科學裝置在國外也是有對應的説法的，比較官方的説法比如是美國能源部用的 LargeScale Scientific Instrumentation ，DESY用的 Large-scalefacilities for science ，或者就簡單地説Big scientific Instruments 也是沒問題的。

我自己是有一定的大科學裝置情結的。一方面因為自己在合肥讀的物理本科，合肥有一堆大科學裝置（不同名單有説建成+計劃：3+1，6+2，7+1的），最有名的是同步輻射加速器和EAST全超導託卡馬克了。另一方面是它們龐大的尺度本身就自帶一種數量級上的暴力美學與浪漫。當你看到以山谷為台址，縱橫500米的 FAST 天眼，或者貫穿法國瑞士邊境，周長27公里的 LHC 大型強子對撞機，哪怕你對其中的科學細節一無所知，也一樣會被這種現代人類文明的奇觀所震撼。大科學裝置，以及現代的各種超級工程，滿足的是從上古的“填海“，”移山”，到現代的以以赤道作為加速器，以行星作為宇宙飛船，這種永恆的對改造大自然的極致的想象。下面就介紹一些國內外比較有代表性的大科學裝置。

國內篇

上海光源**(SSRF)**

中國最先進的世界級同步輻射光源，最顯眼的那個大環是周長432米，能量3.5GeV的電子儲存環，切向發出同步輻射光，高準直，高偏振，高相干，用來做高精度的X射線散射實驗。個人感覺上海光源是少有的外觀很有設計感的大科學裝置。

SSRF

**全超導託卡馬克核聚變實驗裝置（東方超環，**EAST)

最近幾年經常被報道的“人造太陽”，世界第一個全超導磁體託卡馬克核聚變反應裝置。2017年實現了持續102秒的長脈衝等離子體放電，目前為該持續最長時間記錄的保持者。

EAST

500米口徑球面射電望遠****鏡 **(****貴州天眼，**FAST)

近幾年的網紅望遠鏡，世界第一大單口徑射電望遠鏡（一説俄羅斯的RATAN-600 的576m口徑最大，但是那個設計比較奇葩）。貴州天然喀斯特巨型窪地作為望遠鏡台址確實給人一種天外神蹟的感覺。

FAST

**中國錦屏極深地下暗物質實驗室（**CJPL)

由錦屏山水電站的18公里汽車隧道改建而成，上方覆蓋2.5公里厚的岩層來隔絕宇宙射線以避免對暗物質探測的干擾，據説是世界最深。CJPL並不出現在目前網上流傳的任何一個大科學裝置的名單上，但是它非常符合我心目中對於大科學裝置的暴力美學的想象，也毫無疑問是中國代表性的大科學裝置。

CJPL

**大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡（郭守敬望遠鏡，**LAMOST)

最近因為發現迄今最大恆星級黑洞而小火一把的望遠鏡，亮點是有4000個主動光纖同時獲得4000個天體的光譜，全世界光譜獲取效率最高。就是當時選址不小心選在了河北，空氣太差發揮不了全部實力，有點憋屈。

LAMOST

北京正負電子對撞機（BEPC）

寫該回答之前我的瞭解僅限於中國第一台高能粒子加速器，相比起國際上動輒上千米的加速器來説顯得比較寒磣，相對來説可能人才培養上的意義以及歷史意義更重要吧。

BEPC

神威**·**太湖之光（SunwayTaihuLight）

我個人是覺得沒有任何理由不把超級計算機視為大科學裝置的。神威·太湖之光佔地面積605平米，峯值算力每秒12.5億億次，是目前中國最強超算，世界第三。

神威·太湖之光

國外篇

**大型強子對撞機（LHC，**CERN), 歐洲

世界最大的粒子加速器，高能物理的聖地。主體是一個周長27公里，橫跨法國瑞士的地下隧道。最高質子對撞能量高達

13TeV。2013年證實探測到了“上帝粒子”希格斯玻色子，這也使得希格斯拿到了諾獎。另外，CERN的發展還又一個意想不到的副產品，那就是互聯網，這是當年CERN為了內部信息交流而開發的系統。

LHC

歐洲聯合環狀反應爐（JET)，歐洲

有一堆世界紀錄的核聚變裝置：世界最大託卡馬克，最高聚變產能(16.1MW)，最高等離子體流(7MA)，唯一能實現氘氚聚變反應的託卡馬克裝置。

JET

JET（左）與正在建設中的下一代核聚變裝置ITER（右）對比圖

阿卡塔瑪大型毫米**/**亞毫米波天線陣（ALMA)，智利

全世界各種巨型望遠鏡實在太多了，這裏挑一個個人覺得最壯觀的。ALMA座落於阿卡塔瑪沙漠高原，有54座12米口徑天線和12座7米天線，天線可以在沙漠上移動，在毫米/亞毫米波波段觀測。ALMA也是今年發表轟動世界的黑洞照片的事件視界望遠鏡項目的重要成員。

ALMA

激光干涉引力波天文台（LIGO），美國

因為首次檢測到引力波而聞名世界。在路易斯安娜州各有一個臂長4千米的干涉儀，華盛頓州有一個4千米和一個2千米的干涉儀，三個探測器三角定位引力波源。

LIGO-Washington

LIGO-Louisiana

超級神岡探測器（Super-K），日本

類似於中國的錦屏山暗物質實驗室，位於日本岐阜縣飛彈市（也是動漫《你的名字》的取景地哦）的深達1000米的廢棄礦山之中，用來探測中微子。1998年觀測到觀測結果顯示中微子具有質量，並因此獲得2015年諾獎。

Super-K

**SLAC****國家加速器實驗室（SLAC)，**美國

原名StanfordLinear Accelerator Centor)，長達3.2千米，乃世界最長直線加速器。2006年諾貝爾化學獎得主靠的就是用這個粒子物理實驗裝置做X-射線衍射實驗解轉錄相關蛋白質的生物大分子結構。

SLAC

**Z****脈衝功率設施（Z機，Z-machine)，**美國

世界最大的X射線發生器，每次脈衝產生超過20億攝氏度的高温等離子體，放出壯觀的閃電，十分酷炫。

Z-machine

冰立方中微子天文台（IceCube），南極

位於美國在南極極點的科考站，南極冰層之下1450米到2450米的一千立方米空間內，部署86條共5160個光學傳感器模組來觀測中微子。

IceCube

暫時先寫到這裏，未來還會有越來多新的更大的大科學裝置建成，比如那個日本super-K的升級版hyper-K，斯坦福大學和費米實驗室地下的，長達1300千米（主意是千米）的中微子探測器DUNE，正在建設的最大的託卡馬克ITER，以及最近再次陷入爭議，前途未卜的中國超級電子對撞機CEPC等等。

我自己是在高中時聽的一場報告上，第一次聽説了雪山腳下的CERN 的存在，至今仍然記得當時的震撼，而現在我寫下這篇回答，希望能夠讓更多的人感受到大科學裝置那種“集人類文明之力，與宇宙尺度進行抗衡”的氣魄。