10月21日，上海张江，一道光在地下3.1公里长的隧道里，第一次亮了起来。这道光来自硬X射线自由电子激光装置（SHINE）——国家重大科技基础设施，当天实现首次出光。全球同类型的高重频硬X射线自由电子激光装置，目前只有两台：一台就在中国，另一台还在美国建设之中。这台装置能干什么？一句话：给原子和分子拍“电影”。
硬X射线自由电子激光装置SHINE首次出光图。这道从地下隧道亮起的光，是窥探微观世界的“超级摄像机”。
一、从“分子照片”到“分子电影”，难在哪
先说清它为什么牛。要看清原子、分子，得用X射线。过去几十年，全球最顶尖的科研利器是同步辐射光源：让高速电子在环形轨道上转圈“甩”出强X射线，拍下分子“静态照片”。但分子是动的——蛋白质怎么折叠？催化剂怎么让反应发生？电池充放电时原子怎么移动？这些过程快得吓人，同步辐射的光脉冲太“长”，拍不到过程，只能拍“定格照”。SHINE不一样。它用8吉电子伏特的连续波超导直线加速器，把电子束加速到接近光速，再穿过18台波荡器，让电子“蛇形甩尾”，发出脉冲短到飞秒量级的硬X射线。飞秒多短？一飞秒等于一百亿亿分之一秒——快过分子运动的节奏。于是“定格照”变成“连拍电影”，分子怎么动、原子怎么走、反应怎么发生，一帧帧被拍下来。这就是“分子电影”。
SHINE核心设备（波荡器等）在张江地下厂房吊装安装（资料图）。
二、最难的赛道，全球只有中美在拼
自由电子激光装置，全球不是没有——美国LCLS、欧洲XFEL、日本SACLA、瑞士SwissFEL、韩国PAL-XFEL，都造出来了。但SHINE走的是最难的一条路：高重频。普通的自由电子激光，每秒只能闪几十次到几千次；SHINE的最高重复频率达到1兆赫兹，也就是每秒能打出上百万个光脉冲。光脉冲越多，科研人员能做的实验越多、看得越全。这背后是连续波超导直线加速器——把超导腔冷却到极低温，让电子束稳定、连续、高强度地跑起来。
这条技术路线，全球只有中美两个国家在全力推进，另一台就是美国正在建设的LCLS-II高能升级装置。更吓人的是工程量：3.1公里长的地下隧道、10条管线隧道、5个工作井，超导腔、波荡器、光束线，每一个部件的加工和装配精度都要到微米级。从2018年启动建设，到今天首次出光，几万名工程技术人员在地下“追光”了八年。
SHINE超导直线加速器模组在地下隧道内安装调试（中国科学院上海高研院资料图）
三、从“排队借光”到“自己造光”
中国的光子科学，起点并不高。上世纪90年代，靠着北京正负电子对撞机的同步辐射装置，中国科研人员第一次用上了自己的X射线。但那时候装置小、光弱，“一光难求”。
2009年，上海光源开放——那座外形像“鹦鹉螺”的建筑，成了全国科研人员排队预约的“网红”。做生物、材料、化学的团队，为抢一条光束线的时间，常常要等上大半年。“排队借光”的日子，我们过了很多年。直到上海光源、软X射线装置、硬X射线SHINE陆续落子张江，中国才真正从“借光”走到“造光”——而且造的，是世界上最亮、最快的“光”。
上海光源“鹦鹉螺”航拍，中国在张江建起全球少有的光子科学设施集群。
四、谁掌握最亮的光，谁就先看见未来
有人会问：一台给科学家用的“超级显微镜”，跟普通人有什么关系？关系大了。新药研发，要看清蛋白质靶点结构；锂电池要跑更久，要看懂充放电时原子怎么迁移；催化剂要更高效，要摸清反应的中间过程；量子材料要突破，得先看清电子怎么“跳舞”。这些“看不见的真相”，谁先看清，谁就先做出下一代材料、下一代药、下一代技术。SHINE就是那把“看清真相”的钥匙，是给生命科学、量子材料、未来能源所有前沿领域共用的“国之重器”。
谁掌握了最亮的光，谁就先看到微观世界的真相；谁先看到真相，谁就站在原始创新的最前面。这3.1公里的地下隧道，藏着的不是一台机器，而是中国把“看懂世界”的主动权牢牢攥在自己手里的战略布局。
SHINE直线加速器地下隧道实景（资料图）。3.1公里的地下“追光”工程，藏着中国基础研究的战略布局。
五、把“最亮的光”握在自己手里
今天，提到大科学装置，国际科学界已经绕不开中国：散裂中子源、高海拔宇宙线观测站、上海光子科学集群……一座座“国之重器”从图纸变成现实。而SHINE的这次出光，是“追光者”又一次把名字写进了全球第一梯队。从排队借光，到自己造光；从跟跑，到与世界最强者并跑，甚至在“高重频”这条最难的赛道上率先出光——中国科研人用八年地下“追光”，把“看得更细、看得更快、看得更真”的能力，变成了国家的底气。
此刻，在中国的地下，一束人类能造出的最亮的光，正照进原子和分子的世界。看得越细，越知道差距在哪；看得越远，越知道路该往哪走。
这束光，是中国自己点亮、自己握在手里的——未来科技的门，正在被它一扇扇推开。
热门跟贴