近年来，各国科学家利用极端条件取得了许多影响深远的突破，一些研究例如“原子的玻色—爱因斯坦凝聚的实验观察”“超导、超流现象的发现和理论解释”等更是因此获得诺贝尔奖。借助极端实验条件取得创新突破已成为科学研究的一种重要范式。我们熟悉的“磁悬浮”“超音速”也是在这种条件和环境下研究发展的。

文/记者 赵天宇 编辑/吉菁菁

采访专家

于渌（中国科学院院士、中科院物理研究所研究员）

近日，北京怀柔科学城首个国家重大科技基础设施启动建设，这就是综合极端条件实验装置，建设单位为中国科学院物理研究所。该项目计划5年建成，这也是国际首个集极低温、超高压、强磁场和超快光场等极端条件为一体的科学装置。

怀柔科学城是全市建设全国科技创新中心的“三城一区”主平台之一，定位于打造世界级原始创新承载区，规划面积达到100.9平方公里左右。首批五大交叉研究平台已经于5月底启动建设，综合极端条件实验装置建设也于上月底启动。全球最大材料研究平台也将在明年竣工。

综合极端条件实验装置是由国家发改委审批，中国科学院教育部共同申报的国家重大科技基础设施项目，具有重要的科学价值和广泛的应用前景。

“工欲善其事，必先利其器”。建成后的综合极端条件实验装置，将极大地提升我国在物质科学及相关领域的基础研究与应用基础研究综合实力。

对于普通公众而言，科学实验室、科研基地并不陌生，但对于“综合极端条件实验装置”而言，许多人却依然有这样的疑问，什么是综合极端条件?实验装置都包括什么?建成以后又有怎样的作用和意义?近日，北京科技报记者来到怀柔科学城，实地探访综合极端条件实验装置等正在建设中的工地，并邀请到中国科学院院士于渌及现场建设负责人为我们详细解读。

▲超导体在电子学中应用的技术难度比较高，必须在极端条件下才能实现（图片来自网络）

极端条件能让电影《阿凡达》中的“悬浮山”实现

中国科学院院士，中科院物理研究所研究员于渌告诉北京科技报记者，所谓极端条件，实际上指的是在实验室中人为创造出来的特别低的温度、特别强的磁场、特别高的压力等等。通过创造极端条件，可以发现和揭示许多在通常条件下观察不到的奇异物质特性，探索新的规律，开辟新的应用，有力地推动科学技术的进步。

地球环境温和，适合生物生存，鲜有极低温、极强磁场的极端条件，但这种情况在宇宙中却比较常见，宇宙中既有极高温也有极低温，以及很强的磁场，因此，要探索宇宙的奥秘，在地球上实现这类条件，综合极端实验装置就十分必要了。

“利用综合极端条件实验装置可以使物理实验条件达到极端状态，这样一来，我们就可以发现更多新的物态，探索更多新的科学现象，开辟新的领域，从而大大拓展人类认识自然、改造自然、造福人类自身的能力。”项目首席科学家、中科院物理研究所研究员丁洪说，“随着低温、高压、强场等各项极端实验条件的拓展以及极端实验条件下测量技术的发展，利用极端条件取得突破已经成为科学研究的重要手段。”

近年来，人们已利用极端条件取得了许多影响深远的科学突破，一些研究例如“原子的玻色—爱因斯坦凝聚的实验观察”“超导、超流现象的发现和理论解释”等更是因此获得诺贝尔奖。借助极端实验条件取得创新突破已成为科学研究的一种重要范式。

走下科研神坛，极端条件其实离我们并不远，我们熟悉的“磁悬浮”“超音速”都是在这种条件和环境下研究发展的。而在当今物质科学研究领域，特别是量子物质研究(量子物态的制备、调控与量子计算)、功能材料研究(极端条件下的材料合成与性能调控)和物态变化动力学过程研究(瞬态过程“录像”)在内，无不需要在极端实验条件下才能实现。

“举个例子，倘若科学家能利用装置做出室温超导体，电影《阿凡达》中壮观的‘悬浮山’就有望成为现实”，丁洪说。

▲“磁悬浮”“超音速”等也是在极端条件的环境下研究和发展的

极端条件实验装置是同步辐射光源的配套设施

与普通科学仪器相比，大科学装置重点在于“大”，而所谓“大”，就是规模大、投入多、可持续时间长。相较普通科学仪器，大科学装置科学技术意义更加重大，影响面更广且更为深远，同时建设规模和耗资大，建设时间长，并且建设大科学装置技术非常复杂，通常需要众多科研人员综合各个不同科目的知识。

大科学装置并不能直接产生经济效益，但是会对科学知识和技术成果造成巨大影响，从而间接产生经济效益，这需要经过长时间稳定的运行、不断的发展和持续的科学研究才能达到预定目标。

于渌院士告诉记者，就整个怀柔科学城而言，高能同步辐射光源是最重要、规模最大的中心科学设施。迄今为止，世界上90%的生物大分子：蛋白质、DNA、RNA、核糖体、核小体，或者病毒都是借助同步辐射光了解的。以前科学家需要十年的时间才能分析出血红蛋白的结构，而今天，科学家只需要用三个月时间就能解析出更加复杂的分子结构，帮助他们完成这一任务的“利器”就是同步辐射光源。

怀柔科学城建成后的高能同步辐射光源直径将达到700米，光源亮度将比目前世界最大的瑞士光源高10倍，比美国光源高70倍，将成为北京新地标：“为了充分发挥高能同步辐射光源的作用，围绕着高能同步辐射光源这个中心设施，我们要建设许多配套设备，综合极端条件实验装置就是其中之一。”

▲正在建设中的综合极端条件实验装置工地，建成以后将面向用户开放（摄影 赵天宇）

在世界上首次把各种极端条件实验设施集中建设

那么，为何极端条件实验装置会成为怀柔科学城首个开工的大科学工程?于渌院士认为，这与相关技术已经相对成熟，需要尽快开展进一步的研究有关。“目前，我国在极低温、强磁产、高压和超强光场方面的科研水平已经比较先进，有较多的科学积累，早在‘十二五’期间就已经开始规划，目前正式开工，都是按照计划稳步推进的。”

据了解，世界上许多发达国家对于极端条件实验十分重视，并在这个领域投入大量的人力和物力，展开了激烈竞争，许多著名的研究机构都拥有先进的极端条件实验设施。如美国佛罗里达强磁场实验室、劳伦斯利弗莫尔和洛斯阿拉莫斯国家实验室、德国马普量子光学研究所及核物理研究所、法国格勒诺布尔的尼尔研究所和日本东京大学固体所极端条件实验室等都拥有先进的极端条件实验设施。”但能将这些实验设备综合到一起，怀柔科学城在世界上尚属首次。

▲美国洛斯阿拉莫斯国家实验室，是世界著名的极端条件实验室（图片来自网络）

“国际上并不是没有这些设备，但把这些设备整合到一起，我们国家是世界上第一个做的。” 于渌强调，设施建成以后，从综合性和综合指标看，综合极端条件实验装置将达到世界先进水平，甚至可以说是最先进的。“以前研究设备都是分散的，现在综合起来，相当于把许多实验室整合到一起，对科研工作的开展有极大的促进作用。”

对于记者“五年建设周期是否过长”的问题，于渌表示，工程并非一气呵成，而是分期分批进行的，完成一项，交付一项，因此总工期是五年，“许多设备技术水平非常高，需要一定调试过程，很多设备虽然做了预先研究，但真正调试好，需要一些时间。因为这是个用户装置，未来要面向广大用户，我们希望它真正好用。”

记者了解到，整个综合极端条件实验装置实际上是一个科学实验园区，占地面积达到了4.8万平方米(约150亩)，建设的主要内容包括极端条件物性表征系统、高温高压大体积材料研究系统、极端条件量子态调控系统、超快条件物质研究系统以及共用辅助设施系统和其他土建工程，装置的主体建筑有望在2019年完工，2022年最终验收。建成后，也将向国内外用户全面开放。■

▲瑞士保罗谢尔研究所位于苏黎世和巴塞尔之间的阿勒河畔，是该国最大的多学科研究中心。圆形的白色建筑就是瑞士第三代同步辐射光源。怀柔科学城建成后的高能同步辐射光源亮度将是瑞士光源的10 倍。（图片来自网络）

延伸阅读：

目标比肩硅谷，怀柔科学城还有哪些“大国利器”?

除了综合极端条件实验装置，怀柔科学城里还有哪些“大国利器”?记者来到怀柔科学城建设园区工地，这里三面都是山，走近工地，远远眺望，落日就像挂在远处工程搭起的铁架子上。近处远处都是工人们忙碌的身影，400余名工人，一年365天为了科学城建设都在园区加油建设着。

“这是清洁能源和材料基因两个平台，总共7万平方米”，北京怀柔科学城建设发展有限公司项目负责人王文介绍，这两个平台a楼都是地下一层，地上5层，明年大概11月到12月主体结构封顶，竣工验收。

记者了解到，目前科学城开工建设的除了综合极端条件实验装置，还包括五大交叉研究平台中，中科院物理所的清洁能源材料测试诊断与研发平台和材料基因组平台，整个园区占地面积约为54亩，建成后将成为我国首个、世界上规模最大、手段最齐全的材料基因研究平台，对不同材料，包括清洁能源材料，在不同条件下进行测试，迅速产出原创性的基础研究成果。

在该园区的东北方向，则是先进光源技术研发与测试平台项目。重点围绕未来大型先进加速器装置及X射线前沿技术，将建成有世界地位和领先研究水平的国家级先进光源科学技术研究中心、创新中心和技术转移中心。

根据《国家重大科技基础设施建设中长期规划2011-2030》，“十二五”期间，我国计划建设涉及能源、生命、地球系统与环境、材料、粒子物理和核物理、空间和天文、工程技术等7个科学领域的16个重大科学装置。

在北京，除了已经开工建设的“综合极端条件实验装置” 以外，“高能同步光源验证装置”和“地球系统数值模拟装置”也将相继落户怀柔科学城。其中，着力建设以地球系统各主要圈层和过程数值模拟系统为核心，软硬件指标相适应，规模及综合技术处于世界先进水平的地球系统数字模拟装置计划在今年12月开工。装置建成以后，将大幅提高我国地球系统模拟的整体能力和重大自然灾害预测预警，气侯变化预估的研究能力。

王文告诉记者，几年以后，怀柔科学城将会入住超过1万名科学家和超过3万名的科研人员。“到2050年，这里将成为比肩美国硅谷、日本筑波科学城的世界知名科学城，未来怀柔科学城大有可为。”