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      2. 加快打造原始創新策源地,加快突破關鍵核心技術,努力搶占科技制高點,為把我國建設成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

        ——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

        面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

        ——中國科學院辦院方針

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        點亮前沿科技的“光”

        2024-03-26 人民日報
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        自從第一次睜開眼睛觀察世界,光就陪伴我們的生命旅行。光是人類生存生活的基本條件,為我們呈現絢麗斑斕的世界,光合作用則為我們提供了食物來源。人類對光的認識和研究從未停止過。從盤古開天地到后羿射日,古代典籍中有許多關于光的記載。春秋戰國時期,墨子論述了光的產生和性質,甚至描述了小孔成像現象。

        如今,光既是科學前沿又是應用前沿,與光有關的先進科技在人們的日常生活中普遍應用,光通信、量子通信還開創了人類通信的新前景。在載人航天、探月工程、深空探測、大氣—海洋—陸地觀測領域的重大科技任務中,光學研究尤其是紅外光學研究起到關鍵作用,為推動國民經濟發展、維護國家安全提供了強有力的支撐。

        在探索“光是什么”的過程中,筑起科學大廈的堅強基石

        光是什么?這個問題一直為人類所好奇,也是一代又一代光學研究者前進的動力。在“追光”路上,在不斷探索解答“光是什么”的過程中,與光有關的技術得到發展,日益造福人類。

        光譜就是“追光”路上的重要發現。紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫,17世紀60年代牛頓使用三棱鏡,將太陽入射光分成7種顏色,使人類對光的認識從簡單的照亮物體的光線,演進為按顏色分散排列的光譜。這一重要發現來自常見的自然現象——雨后的彩虹。彩虹是由不同波長的光通過不同角度折射而成。紅花綠葉、青山綠水,也是由于太陽光照射到它們身上,反射各種顏色的光,進入人的眼睛里,我們才得以看到多姿多彩的世界。

        進而,科學家們記錄了可見光范圍的光譜圖。光譜圖是復色光通過色散系統(如棱鏡、光柵)進行分光后,依照光的波長(或頻率)大小順次排列形成的圖案。通俗地說,不同物體會反射不同顏色的光,所有的顏色都可以在光譜圖上找到。通過對光譜圖的研究,人們得到了原子、分子等的能級結構、能級壽命以及電子的組態、分子的幾何形狀、化學鍵的性質、反應動力學等許多關于物質結構的知識。這些光物理領域的基礎科學研究成果,成為筑起科學大廈的堅強基石。

        光并不總是肉眼可見的,比如紅外輻射。1800年,天文學家赫歇爾在用水銀溫度計研究太陽光譜的熱效應時,發現紅光外面看不到的區域溫度升高效果更好,他稱這一區域為“黑熱痕”。后來,人們把這部分看不到但是能測到熱量的光,叫做紅外輻射。如今,紅外輻射的應用十分廣泛,我們身邊檢測體溫的設備,大多是通過檢測人體的紅外輻射來實現測溫。

        電磁波也是在探尋“光是什么”的過程中被發現的。有人認為光是微小的粒子流,也有人認為光是一種波。19世紀60年代,科學家發現,從無線電波到紅外光、可見光、紫外光、X射線都是同一本性的電磁波。分成7種顏色的可見光,只是整個電磁波譜中波長從400納米到780納米的很窄的一段電磁波。根據光的電磁波理論,人們在19世紀末20世紀初,實現了2公里距離的無線電通信,并最終發明了無線電報。時至今日,工作生活所必備的電話通信、無線網絡基礎設施,都依托這一理論而來。

        現代物理學研究發現,光既是波又是粒子,即光的波粒二象性,這是人類對“光是什么”認識的又一大進步。借助這一理論,科學家從“波”的角度分析電子,找到了電子的波長與其質量和運動動量的關系,進而發明了電子顯微鏡。經過近百年努力,電子顯微鏡的分辨率可以高達1埃(0.1納米)量級,能夠直接觀察到單個原子,成為研究物質微觀結構不可缺少的利器。當今科學最前沿的光量子通信,也是用光的波動性傳播信號。我們發射的“墨子號”衛星,進行了大量的高速量子密鑰分發實驗,首次實現衛星和地面之間的量子通信,為構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系奠定了基礎。

        解開更多光的“謎題”,用光的新發現新應用照亮人類生活

        身處信息社會,光的作用進一步得到凸顯。半導體器件已經成為網絡通信、人工智能、機器學習、高性能計算、自動駕駛、智慧醫療等設備的基礎元件,在各種各樣的半導體器件里,都有與光有關的部分。自從人們發現了光的折射反射、波粒二象性后,固體光譜為半導體發展打開一扇大門。沒有固體光譜,就無法制造出晶體管,先進集成電路就無從談起。光刻是集成電路制造中的重要工藝,隨著器件尺寸、結構、功耗等需求的提升,半導體制造需要波長越來越短的光,當前最先進的半導體光刻工藝用到了極紫外光(EUV)。生活中,通過極快反應速度傳感器實現的光學避障,讓汽車具備了緊急避險功能,已經是自動駕駛技術的必備要素;而各類半導體紅外探測器,則給掃地機器人等智能家電裝上了“眼睛”。

        可以說,與光有關的新技術,既為尖端科技作出了貢獻,也為日常生活提供了便利。以航天遙感為例,衛星等航天器通過多種半導體器件,能夠實現對地觀測和光譜成像,顯著改善了我們的生產生活。上世紀80年代末,風云氣象衛星從太空“看”地球,大大提高了天氣預報的準確性。2018年,我國成功發射了世界首顆可對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛星高分五號。所謂高光譜探測技術,是指在獲取目標空間幾何信息的同時,獲取寬波段范圍內目標光譜特性曲線的多維成像技術。簡言之,高分五號可同時采集目標的幾何、輻射及光譜信息,通過目標的光譜曲線,像識別指紋一樣辨析目標。

        在距離地面700多公里的太空遨游,高分五號的“視力”有多好?借助高光譜探測技術,甚至可以靈敏地識別出同一型號鋼材的材質與工藝。通過高分五號在軌采集的數據,我們可以監測生態環境、土壤污染、各類災害情況,比如探測森林火災、雪災、沙塵暴和水流污染情況,還可以探測礦產資源,規劃城市布局,測算土壤有機碳含量、水分指數,預估農作物產量,推動智慧農業建設,助力生態文明發展。

        光的作用已經開發殆盡了嗎?遠遠沒有。從科學研究角度出發,還有許多光的問題尚無答案,還有新的利用方式有待開掘。光化學、光生物學方面,就有許多未解之謎。尤其是植物生長的光合作用,如果科學家能最終解開這一謎團,那么真正的“人造食物”就能產生,將為人類解決生存問題提供新的答案。在光能利用方面,也有一些重大課題。太陽是地球的生命之本、能量之源,太陽能發電逐步推進的過程中,由硅基太陽能電池板組成的太陽能電站仍有很大發展空間。

        還有一些科學前沿問題,比如光的“克星”——宇宙黑洞。100多年前,愛因斯坦廣義相對論預言了黑洞的存在。隨著黑洞相關研究成果的不斷涌現,人們發現,比較近的黑洞距離地球大約5000萬光年,光進入黑洞后會被吞噬,消失得無影無蹤。這不僅是科幻作品里的情形,更是科學家們孜孜以求的探索課題。包括中國科學家在內的全世界科學家經過廣泛合作,利用甚長基線干涉測量技術,觀測到黑洞邊緣吸積和噴流形成的黑洞口圖像,并將其拍成照片。這是人類認識黑洞的第一步,關于光與黑洞的關系,還需要繼續探索。

        遠古時候,火把的光照亮了人類文明,科技飛速發展的今天,獲取光的新知、開發光的新用,有待更多“追光者”一同努力,讓光的科技應用更好照亮人類生活。

        (作者:沈學礎,中國科學院院士、中國科學院上海技術物理研究所研究員)

        打印 責任編輯:侯茜

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