位于青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖鎮賽什騰山區域的冷湖天文觀測基地。 　　新華社記者 張 龍攝

在中國科學院高能物理研究所粒子天體中心，中國“極目”空間望遠鏡首席科學家熊少林檢查望遠鏡運行狀態。 　　新華社記者 金立旺攝

　　習近平總書記在全國科技大會、國家科學技術獎勵大會、兩院院士大會上指出：“當前，新一輪科技革命和產業變革深入發展。科學研究向極宏觀拓展、向極微觀深入、向極端條件邁進、向極綜合交叉發力，不斷突破人類認知邊界。”

　　歷史經驗表明，每一次科技革命都會帶動生產力產生質的飛躍，對人類生產生活方式、經濟社會發展產生重大影響。把握新一輪科技革命和產業變革重大機遇，了解和掌握科學研究的趨勢和特征至關重要。

　　“科學研究向極宏觀拓展、向極微觀深入、向極端條件邁進、向極綜合交叉發力”，這“四極”的具體內涵是什么？將對科研工作帶來哪些影響？本版今起推出“把握科學研究新趨勢”系列報道，介紹相關領域的研究進展和發展方向。

　　——編  者 

　　近日，中國科學院云南天文臺研究團隊通過高分辨率的磁流體動力學模擬，成功揭示了太陽低層大氣中一種前所未有的快速磁重聯現象。

　　磁重聯在宇宙中極為普遍，對于解釋宇宙中的各種磁能釋放現象至關重要。此次新發現不僅揭示了太陽低層大氣中快速磁重聯的物理機制，獲得與觀測結果相近的極大磁重聯速率，還為理解其他非完全電離環境中的磁能釋放過程提供了新的視角。

　　對宇宙磁重聯現象的研究是人類探索認識宏觀宇宙奧秘的視角之一。近年來，隨著科學技術不斷發展，科學研究呈現出向極宏觀拓展的趨勢和特征。

　　“科學研究向極宏觀拓展”的內涵是什么？有何重要意義？又會給科研工作帶來哪些改變？記者采訪了相關專家。

　　向更大的宇宙空間尺度和宇宙時間尺度邁進

　　愛因斯坦曾預言，未來科學的發展，無非是繼續向宏觀世界和微觀世界進軍。如今，宏觀世界大至天體運行、星系演化、宇宙起源，微觀世界小至基因編輯、粒子結構、量子調控，都是當今世界科技發展的最前沿。

　　什么是向極宏觀拓展？“向極宏觀拓展，實際上是研究對象的拓展，從地球延展到天體和宇宙。”中國科學技術發展戰略研究院科技與經濟社會發展研究所所長陳志說。

　　中國科學院科技戰略咨詢研究院院長潘教峰認為，宏觀和微觀是相對的，都是站在人類的視角去進行觀察。極宏觀更多可以從尺度概念上去理解，即向更大的宇宙空間尺度和宇宙時間尺度邁進。

　　自古以來，人類就對宇宙充滿了好奇和向往。早在2000多年前，詩人屈原就在《天問》中對宇宙發出疑問：“天何所沓？十二焉分？日月安屬？列星安陳？”天文望遠鏡發明后，人類逐步打開了科學認識、深入研究宇宙的大門。

　　潘教峰說：“射電望遠鏡的出現，讓人類觀測宇宙的尺度拓展到150億光年左右的時空區域。如今，隨著觀測手段日益豐富、技術不斷提高，對宇宙的研究也從定性描述發展到了精確時代，可以對宇宙物質組分的演化分布進行更精確的計算和分析。”

　　正如科學家所解釋的，對宇宙的研究正向極宏觀拓展。當前，宏觀宇宙學的研究焦點主要是“兩暗一黑三起源”。“‘兩暗’是指暗物質、暗能量，‘一黑’是指黑洞，‘三起源’是指宇宙起源、天體起源和生命起源。”陳志說，這些方面一旦取得重大突破，將使人類對宇宙的認識實現新的重大飛躍，可能引發新的物理學革命。

　　把人類對客觀物質世界的認識提升到前所未有的新高度

　　科學研究向極宏觀拓展，一些基本科學問題正在孕育重大突破。隨著觀測技術手段的不斷進步，人類對宇宙起源和演化、黑洞、暗物質與暗能量等的認知也越來越深入，把人類對客觀物質世界的認識提升到前所未有的新高度。

　　比如，人類對黑洞的不斷探索打開了宇宙和天體起源的新視野。黑洞是宇宙空間內存在的一種超高密度天體，即使光也無法逃脫它的引力束縛，儀器和肉眼都無法直接觀測到。1964年，人類發現了第一顆恒星級黑洞。之后，科學家又陸續發現了更多的黑洞。

　　分布在全球8個不同地區的射電望遠鏡組成觀測陣列網絡，經過近2年觀測和后期海量數據分析處理，于2019年4月發布了一個距離地球5500萬光年、質量為太陽65億倍的黑洞的照片，這是人類首次看到黑洞的“面貌”。

　　對黑洞的形成、性質、結構及其演化規律進行研究，對于更深入認識宇宙的演化具有重要意義。國際上很多重要的天文設施，如美國激光干涉引力波天文臺、意大利室女座引力波天文臺等，都把探測研究黑洞作為一項重要任務。

　　我國科學家也一直致力于黑洞研究，并取得了一批重大原創成果。2019年11月，中國科學院國家天文臺研究團隊依托我國自主研制的郭守敬望遠鏡，發現了一個大質量恒星級黑洞，并提供了一種尋找黑洞的新方法。

　　“理論預計，銀河系中有數千萬個黑洞，目前，我們繼續利用郭守敬望遠鏡去發現銀河系中更多的黑洞。”中國科學院國家天文臺臺長劉繼峰說。

　　對引力波的探測研究開辟了探究宇宙起源的新途徑，不亞于黑洞研究的意義。

　　早在一個多世紀前，愛因斯坦就基于廣義相對論預言了引力波的存在，但直到2015年，科學家才探測到引力波信號，標志著引力波天文時代的開啟，為研究宇宙起源與演化開辟了新的途徑，也在全球掀起了引力波探測熱潮。

　　據陳志介紹，我國近年來先后啟動了多項探測引力波的項目，比如“太極計劃”“天琴計劃”，以及建設阿里原初引力波觀測站等。

　　其中，“中國天眼”——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），在未知星體、未知宇宙現象、未知宇宙規律等領域，依托大科學裝置和空間科學衛星進行系統部署，開辟了引力波研究新時代。

　　引發科研范式的改變

　　科學研究向極宏觀拓展，正在引發科研范式的改變。

　　潘教峰說：“重大理論發現和科學突破越來越依賴于先進的實驗裝備和重大科技基礎設施等科研條件的支撐。例如，‘中國天眼’的建成和運行就極大拓展了人類觀察宇宙的邊界。”

　　除了“中國天眼”外，一批性能更為先進的大科學裝置正在加快建設。例如，由多國合作、正在建設中的平方公里陣列射電望遠鏡。該望遠鏡由位于澳大利亞西部的低頻陣列和位于南非的中頻陣列兩部分組成，接收面積約1平方公里。這是人類有史以來建造的最大的天文裝置，預計2030年前后投入使用。中國也是該平方公里陣列天文臺的創始成員國之一，積極參與承擔了中頻天線結構、伺服控制系統、低頻頻率分發系統、科學數據處理等建設和研究工作。

　　與此同時，宇宙觀測帶來海量數據，亟須人工智能等先進技術的幫助。基于海量數據計算，可以發現傳統研究方式下很難發現的新現象。

　　隨著科學研究不斷向極宏觀拓展，科研任務的復雜度和系統性也不斷增加，科學研究進入分工協作、整體推進的大科學新階段。在這樣的背景下，科學問題難度越來越大，科學研究的組織化程度越來越高，很多研究課題并非單一研究領域的團隊或短時間內能夠解決，而是需要大規模人員參與、分工合作才能完成。

　　陳志說：“為此，極宏觀科研活動需要頂層謀劃、統籌部署、分工明確、協同推進，全方位、多層次、寬領域協同。比如，為獲得這張5500萬光年外的黑洞照片，就組織了全球30多個研究所的科研人員共同參與。”

　　“人類探索宇宙永無止境，隨著科學研究向極宏觀不斷拓展，我們對宇宙的認知也會不斷被刷新。”潘教峰說。

　　《 人民日報 》（ 2024年09月09日 19 版）

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