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作为中国科学院博士后的答主@子乾 ，在知乎「灯塔计划」中，充分发挥自己的专业实力，为我们带来聚焦前沿物理实验的《某科学的超级实验室》。 

今天，一起跟着答主去探索下「光的秘境」。

比太阳亮 1 万亿倍的光源有什么秘密？

| 答主：子乾

X射线与衍射

这是人类历史上第一张医学 X 光片。1895 年 12 月，物理学家伦琴为妻子拍摄了这张 X 光片。就在这之前的一个月，伦琴才无意中发现了 X 射线；而之后的一个月，伦琴就发明了第一台 X 光机。

从此，人类可以在不切开肉体的情况下，观察人体内部结构。X 光的穿透力比较强，可以很容易穿透肉体，在底片上留下光亮区，而难以穿透的骨骼以及金属戒指则在底片上投下了阴影。

这也是一张 X 光片，你能猜到是什么物体的影子吗？这其实是 DNA 的光片，是罗莎琳·富兰克林于 1952 年拍摄的，也就是著名的「51 号照片」，这张 X 片上有明暗条纹，正是这种典型的波动衍射图案，根据这张照片，詹姆斯·杜威·沃森和弗朗西斯·克里克推导出了 DNA 的双螺旋结构，并首次发表在 1953 年的《自然》期刊上。

这也是人类第一次了解了「遗传」的载体到底长什么样子。虽然人类没法直接观察 DNA，但是通过 X 光照射以及物理法则，就能还原出 DNA 的结构。DNA 的结构，就包含在这光影之中。

做一个简单的小实验演示一下。

一个激光笔，一根头发，一堵白墙。用激光照射头发，投影在墙上，头发距离激光 20 厘米，距离白墙 2 米。墙上的投影会是什么样子呢？

一根黑影？

并不是！

我们看到墙上是亮暗亮暗的条纹，而且从中间到两边，光亮也在逐渐降低。这就是光的衍射。作为一种波动，X 射线当然也有这种现象。

只要看到了衍射现象，就一定存在波。作为一种电磁波，光也有衍射现象。通过衍射照射出来的光所形成的阴影，其实就包含了物体的结构信息。而只有光的波长与微观结构的尺寸差不多的时候，衍射才会最明显。

那什么是波长呢？

想象一下，甩动一根绳子，绳子上下振动，起伏的波包沿着绳子向远处传播。绳子上有波峰和波谷，两个波峰(或者波谷)的距离，就是波长。波长是波动现象中很重要的一个特征。

光也有波长，而波长在 400 纳米至 760 纳米之间的就是可见光，紫外线的波长小于 400 纳米，而红外线的则大于 760 纳米。X 光的波长则在 0.01 纳米到 10 纳米之间。

中学的时候我们都用显微镜看过细胞，细胞还是比较大的，用可见光能观察，如果要看看细胞内部更小的物质，甚至是只有几纳米到几十纳米的分子的话，可见光就无能为力了，这时候需要波长更短的光，比如 X 射线。

X 射线的波长比可见光短，能量比可见光高，因此可以「看到」更小的物体。能量越高的光，波长越短，也就能看到越小的物体结构。所以为了看到纳米世界的物质结构，就要用到波长在 0.01 纳米到 10 纳米之间的 X 光了！

观察世界的方式在发生变化，新的方式需要新的光源，观察越小的物体，需要的光波长越短， 作为人类认识自然、探索世界最基本的工具，光是重要的，显然，用好光也是科学探索的重要一步。

粒子加速器与同步辐射光源

物质是无限可分的吗？几千年前的古人就提出了这样的问题，但直到二十世纪，人们才认识到微观粒子的存在。为了深入研究这些微观粒子的性质和结构，就需要把粒子加速到很高的能量然后对撞，以此打破粒子。

中学物理知识告诉我们，一个带电粒子会被电场加速，多次穿过电场，就可以获得更高的能量。中学物理又告诉我们，在磁场中运动的带电粒子会受到洛伦兹力，因此粒子跑曲线而不是直线，所以加个磁场。

电场加速粒子，磁场控制粒子，于是，在 20 世纪 30 年代前后，劳伦斯根据这个原理发明了回旋粒子加速器，粒子在磁场的作用下做圆周运动，而在电场的作用下周期性地加速，这样的加速器就叫做「同步加速器」，如此，粒子可以被加速到较高的能量，最后让两束粒子迎头相撞，这就是粒子对撞机了。

（来源[1]）

用磁场控制粒子调头转弯，虽然切实可行，但也要付出代价的。实际上，粒子在转弯的时候，会沿着转弯的方向发射出电磁这样发射的电磁波被称为「同步辐射」。

电磁波是有能量的，发射了电磁波，粒子自己的能量就下降了，也就是说，给粒子加速的能量有一部分就白白地辐射出去，无法有效利用。这种辐射是粒子运动的基本规律，是无法避免的能量损失，粒子物理学家不得不接受这种损失。

这就像下雨天打伞，当我们转动伞的时候，水滴就会从伞的边缘沿着切线方向甩出去一样。但是换一个角度来看，这股辐射也是光源啊！同步辐射有许多优良的性质，比如说辐射波长范围非常广，几乎可以涵盖从红外线到 X 射线的整个波段，小到原子，大到头发丝，都在可观察范围内。

曾经被粒子物理学家所厌恶的无法避免的能量损失，现在已经是令人抢手的香饽饽了！这真是山重水复疑无路，柳暗花明又一村啊！

（来源[2]）

高能同步辐射光源

目前，国际上已经发展到了第四代同步辐射光源，已经完全摆脱了粒子加速器与高能实验的约束。目前正在建设的位于北京怀柔的高能同步辐射光源（High Energy Photon Source，HEPS）就是第四代同步辐射光源。

HEPS由国家发展改革委批复立项，中科院高能所承担建设，为「十三五」国家重大科技基础设施，2019 年年中完成所有前期准备工作，6 月 29 日开工启动，建设周期约 6.5 年，预计 2025 年底竣工验收。

高能同步辐射光源首要目标为提供高能、高亮度的硬 X 射线，这是为了满足国家发展战略相关研究的需求，诸如航空发动机材料、核材料研究必须依靠这种高性能的 X 射线。

同时，也将为工业领域与基础科学领域提供更好的支撑平台。建成后，这将是将是中国拥有的第一台高能量同步辐射光源，也将是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一，将和我国现有的光源形成能区互补，对提升我国国家发展战略与前沿基础科学和高技术领域的原始创新能力具有重大意义。

从「寄生」在北京正负电子对撞机上的北京同步辐射装置，到国际领先的高能同步辐射光源，中国在同步光源领域走过了不平凡的 30 年。作为第一台光源，北京同步辐射装置仍然还在运行；而作为最新的光源，高能同步辐射光源只是一个开始。

最近，我们就去到了高能同步辐射光源，去到实验室里与各个专家深入交流了一番，不仅对这样一个大科学装置本身有了了解，对这些参与其中的一线科学家也有了更深入的认识。

高能同步辐射光源到底是一个什么样的装置呢？它的作用是什么呢？建设它的又是一群什么样的科学家呢？

请观看我们在知乎「灯塔计划」中的新视频：《大国重器！比太阳亮 1 万亿倍的光源有什么秘密？》！

参考：