劉鵬：
中國科學院高能物理研究所研究員
人類文明史也是一部利用和開發光資源的歷史，人造光源——同步輻射光源已經成為材料科學、生命科學、環境科學、物理學等學科領域的基礎和應用研究的一種最先進的、不可替代的工具，並且在民用和工業等方面都有重要而廣泛的應用。今天同步輻射光源的發展和應用，就是明天的文明史。
首先從我們這個城市說起。北京很美麗、很誘人，但它也有很多不足之處，比如說它交通很繁忙、堵車很嚴重，這都是讓我們很頭疼的。
所以如果你看到這張照片，馬路上沒什麼人、沒什麼車，你第一反應是什麼？限號？限行？或者說這可能不是北京。實際上它就是北京，2003年的北京。
如果你要看到下面這幅照片，你就會知道，我們都會想起2003年那個難忘的春天。就在那個春季，一種叫SARS的病毒席捲了整個中國，以及小半個世界，近萬人被感染，近千人被奪去了生命。
如何戰勝SARS？成了我們全人類共同面臨的一個挑戰。其實SARS這種病毒在顯微鏡下看很美麗，但它也很致命。
因為病毒，我們大家其實都很熟悉，發現疾病、戰勝疾病一直貫穿著我們整個人類發展的歷史。病毒看上去很可怕，但是也不是無計可施。
如果你能知道它的結構，你就可以找到它的作用機理，從而找到藥物去治癒它、殺死它。那SARS的病毒是什麼呢？它的結構是什麼呢？我們想解開這把鎖，能不能知道它的結構是關鍵。就好像你要想打開這把鎖，一定要知道它的鎖芯的結構，就能配出相應的鑰匙。
全世界的科學家都在積極地做這個工作，在這場國際競爭當中，我們國家的饒子和團隊首先獲得成功。他們率先解析了SARS主蛋白酶的結構，之所以他們能夠摘下這個桂冠，其中有一個很重要的因素就是在2003年，正好是我帶領著團隊歷時三年多建成了中國第一臺專門用於生物大分子結構解析的同步輻射實驗平臺。
就在這個實驗站上，饒子和團隊經過幾天幾夜的艱苦努力，拿到了全部的數據，最後解出了結構，闡述了SARS的作用機理並且開始了後續的一系列的藥物研發。
說到這裡，這就是我今天向大家介紹的同步輻射裝置。同步輻射，顧名思義就是一種輻射，你也可以理解是一種光。
光，我們大家都很熟悉，光是我們人類最親密的朋友。有了光，我們才能認識世界、了解世界、改造世界，也能更好的享受世界。
其實有神論者也同意這個觀點，所以《聖經》裡記載上帝七日創造世界，第一天先造的就是光，然後才是世間萬物。
我們人類歷史有很多的光，可見光、雷射。一直到1895年倫琴，這個德國科學家發現了一種更神秘的光，它可以穿透物質。
當時因為它很神秘，所以給它起了一個名字叫X光。經過了將近100年的發展，X光已經運用到我們生活的方方面面，而且可以成為人們開展科學研究的一個重要工具。
那麼X光和可見光的區別是什麼？首先，是因為它的波長不一樣。波長很重要，任何一種光如果它要想看到物體，它看到物體的清晰程度就決定於它的波長。
這就好像我們打魚一樣，你用的魚網網孔大小是一定的，你要想撈到大魚沒問題。你要想撈到更小的魚，就要用更細的網。
那麼可見光呢？它的波長是零點幾個微米，所以你即使用最好的顯微鏡，你也頂多看到細胞大小，看不到原子、分子，因為原子的尺寸是可見光波長的千分之一，但是X光的尺寸，它的波長恰恰是這個範圍，所以用X光可以很好的分辨原子和分子。
原子、分子很重要啊！因為我們知道不同的材料就是因為它的元素構成不一樣，鐵幾毛錢一斤，金子一克就幾百塊錢，而且哪怕你是用相同的元素，比如同樣是碳，不同的結構你可以得到不值錢的石墨，也可以得到非常珍貴的鑽石。
同步輻射其實就是一種很強大的X光，因為它們產生於很強大的加速器。加速器實際上是高能物理為了研究這個微觀粒子發明的一個大型的科學裝置。
它們把電子加速到非常非常高的能量，然後接近光速的情況下去對撞，通過研究它們對撞以後產生的微觀粒子來探索物質的基本結構。
這種加速器造價非常高，都是國家級的大裝置，動不動就是幾十億、上百億，而且用電量非常大，動不動就是幾千萬度。但是在運行過程中，科學家們發現這些能量其實很多並沒有用在電子加速和對撞上。
能量丟在哪兒了？實際上就是被電子甩出去了。就好像我們打把傘，你去旋轉這個傘柄，雨珠會甩出去一樣。
這些甩出去的能量實際上就是一種輻射。因為它最早在1947年在同步加速器上被發現，所以命名為同步輻射。
同步輻射一開始人人喊打，尤其加速器專家非常痛恨它。因為它損失了我們的能量，但是慢慢人們發現同步輻射非常重要。
從上個世紀60年代開始，很多的國家開始建造這種大型的加速器。不是在為做高能物理服務，而是專門用它的同步輻射來開展實驗。
到了今天，全世界已經有六七十臺大型的同步輻射裝置在開展運行工作。
為什麼花這麼多的錢建這麼多的同步輻射裝置？因為它確實非常有用。任何領域、任何學科，如果你想在原子、分子的微觀層次上去研究材料，你都可以利用它。它的用戶群體非常廣，科技產出也非常多。
同步輻射這麼受歡迎，取決於它一系列的優異性能。
首先，同步輻射非常強。跟常規X光相比，它強的不是幾百倍、幾千倍，而是幾百億倍、幾千億倍。這就好像人類的大腦計算能力，跟超級計算機對比一樣。
所以我們前面提到，病毒這種蛋白晶體，在常規的X光機上，你可能看到的僅僅是本底，但是在同步輻射上你可能幾分鐘、幾秒鐘，就可以獲得很好的數據。
上個世紀末，有一個重要的科學進展就是人類基因組測序。得到了基因組測序，下一步呢？因為光有基因組還不夠，我們所有的生命活動都跟大分子有關。
蛋白質就是這種所有生命活動的基本的載體。要想了解它們的功能，首先要知道它們的結構，所以在本世紀初科學家們提出了一個更龐大的計劃，叫做結構基因組，想解析所有的人類基因對應蛋白的結構，而要想解決這些結構，最主要的工具就是同步輻射。
其實要是幾十年以前，你每解出一個重要的蛋白結構，可能就能拿一個諾貝爾獎。
但是現在成千上萬的蛋白質結構已經被解析出來了，而它們絕大多數都來自於同步輻射光源。
從1988年到現在，已經有6個諾貝爾獎跟結構生物學相關。那麼我們國家呢？
我們國家其實在結構基因組測序中有1%的貢獻。能不能在結構基因組中我們有更多的貢獻，也取決於我們是不是有同步輻射裝置。
早在1965年，我們人工合成了胰島素，我們在結構生物學上實際上是國際領先的。但是很快幾十年過去以後，我們被人甩開了。為什麼？我們沒有自己的同步輻射裝置。
到了2003年我們第一個實驗站建成，出了一大批很優秀的成果，包括SARS病毒。緊跟著2007年，我們又建成了第二條。到今天，咱們中國大陸已經有6條蛋白質晶體學術線。我們的用戶從原來不足10個，發展到現在200個。每年最頂尖的文章從原來每年不到一篇，現在到一年十幾篇。在所有的結構生物學的發展過程中，同步輻射功不可沒。
第二個特點，同步輻射它波譜範圍非常廣。它不只是X射線很強，其實從紅外到可見光到紫外到X線，一直到伽馬都非常強。能量可以選擇，這是非常非常有用的。
這就好像如果你只有一個能量，黑白照片你什麼也看不出來，但是如果你有顏色的分辨能力，你可以很快得到它的所有的信息。
X射線也一樣，同步輻射與能量可以選擇。我們不僅可以看到原子，而且可以看到原子的價態，可以看到它更精細的結構。
我們舉個簡單的例子，我們知道環境汙染現在是大家共同關心的問題，在我們國家廣西一個地區,那個地方土壤裡邊砷的含量非常高。砷是什麼？就是砒霜啊！所以給當地的人民的生活健康帶來很大的影響。
當時的科學院的生態中心的專家發現了一種植物——蜈蚣草，它可以非常高效力地從土壤裡把砷收集上來，富集到植物體內，而且在轉運過程中，它的價態還在不斷地變化。因為砷不同的價態，它可以分成有毒和無毒的。
那麼怎麼解釋它的機理？怎麼說明它工作的原因是什麼？實際上當時就是利用同步輻射這個強大的武器把蜈蚣草吸附的原理、價態的轉換解釋了出來。為我們用植物來修補環境提供了重要的根據。
除了能譜很寬以外，同步輻射還有個優點。它準直性非常高，像雷射武器一樣！準直性好有什麼好處？它可以把X光聚得非常小，我們現在可以聚到納米尺度。那意味著我可以用X光去研究納米顆粒，可以研究集成電路裡邊的電子學狀態。
還有很多很多應用，比如說，我們都知道地球的結構,地殼、地幔、地核。但是地球裡邊是高溫高壓呀！怎麼去研究裡邊的地學的很多科學問題？科學家想出了一個辦法。他們用非常非常小的金剛石的尖去壓那個物質，產生非常高的壓力,然後再用雷射去給它加溫，這樣，我們可以人為地製造出幾百萬大氣壓、幾千攝氏度的一個環境。
如果你說這又跟我們有什麼關係？沒關係呀！地震你總關心吧！通過這種方法我們研究地殼的運動規律，可以闡述地震發生的原因，可以幫助人們來預測地震。
如果說地震也很遠，材料你總關心吧！我們所有材料都不外乎元素周期表裡的100多種元素。可是你們知道嗎，在高壓情況下，材料的原子結構會發生變化的，它可以呈現出很多常溫常壓下沒有的性質。所以每過100萬大氣壓相當於給我們提供了一個新的元素周期表。
而更神奇的是這些材料的性能很多的時候，當它們從高壓回到常壓的時候，性能會保留的，所以有人預測可能人類的第一個常溫下的超導材料就會來自於高壓。
同步輻射還有一個優點，它具有非常快的時間的結構。它的時間脈衝是皮秒量級。意味著它可以看到非常快的過程。
我們人的眼睛一秒鐘看了十幾張圖片。如果用同步輻射拍一個動畫的過程返回來給你看，你可能幾輩子都看不完。就是因為它可以非常快，可以用它來捕捉非常快的過程，比如像分子成鍵的過程，原子怎麼形成的化學鍵，這我們都可以用同步輻射的手段來觀測到。
剛才說的都是微觀的原子、分子，沒有宏觀的應用嗎？其實我們平時接觸的很多都是宏觀，對吧！我們醫院的體檢、安檢都是用X射線成像，但是用同步輻射，利用它的相干性原理，我們可以用更特殊的一種成像方法，我們叫相位襯度成像。
現在都是叫吸收襯度，什麼叫相位？舉個例子：聲，我們可以說聲音的響，聲音的不響，通過這種強度來判斷。
但是如果你要加入了節奏，加入了頻率，就可以形成各種各樣的旋律。所有的聲音無外乎它的幅度加上頻率形成的，那麼利用這種相位成像的話，我們可以得到更高的解析度，更好的靈敏度。
這裡我也舉個小例子，這是達爾文。他提出了生物進化論說。所有的生物在進化過程中都是一個循序漸進，緩緩進化的。
但是在他的進化論中，其實是有一個致命弱點的，那就是在距今大概3億年前的寒武紀，那個時候有一個生物大爆發，突然之間湧出了很多新的動物品種。
怎麼樣通過考古，通過化石去解釋這個問題，一直是一個謎。
1998年，在我們國家的甕安地區發現了一批非常珍貴的化石群——甕安化石。它全都是一些多細胞的動物化石，距今將近6億年，正好是前寒武紀。
那麼怎麼把前寒武紀的化石跟寒武紀的動物之間的關聯，這個實際上是一直讓考古學家苦思冥想的問題。當時古生物學家陳均遠院士跟我們同步輻射專家，我的導師——冼鼎昌院士，通過兩方的交談很快雙方開始合作。
當時正是利用我們同步輻射這種相位襯度，很快的可以得到化石裡邊的精細結構。因為你知道嗎？一個動物卵的化石，一個卵不到一毫米。如果用傳統的方式，你很容易把這些珍貴的樣品破壞，而且解析度還不高。但是用這個相位襯度的話，你可以非常清晰的看到這些珍貴的化石內部的信息。
當時就發現從前寒武紀的時候，就已經存在對稱的植物的結構，動物的對稱的結構，並且開始從對稱向不對稱去發育。
這個結果當時發表在最頂級的雜誌上，而且被評為2006年我們國家的十大科學進展之一。
這種應用也是為我們考古打開了一扇門，其實這種方法不止可以用在化石上。可以用在很多的地方，比如我們人類的組織的判斷。現在我們團隊正在努力把這種方法應用於常規光源，應用於我們的醫學診斷。因為利用這種更高分辨，更高靈敏度的方法，我們可以早期的診斷癌症，找到腫瘤。
當然，還有很多的工業應用。比如說這是山西的煤化所，他們在研究怎麼把煤轉化成油。要想把煤轉化成油，催化劑的優化是重要一個環節。催化劑的優化就是用同步輻射這種方法來做的。
其實我們前面說，現在我們國家有三個同步輻射裝置了，幾十個實驗站。但是其實還遠遠不能滿足大家的需求，所以國家從十三五開始，準備建立一個更新的大型的光源，我們管它叫第四代。
這個光源它會跟很多的學科緊密相連，為我們國家的很多的領域提供支持。
這些領域不止是科學研究，同時會解決很多重要的國家的重量科學問題。
比如說工程材料，從它的生長、鍛造到服役過程中的種種特點的變化；
以及現在非常火熱的材料基因組的研究，都可能會用到同步輻射。
同步輻射是一個非常神奇的平臺，在這裡你可以找到很多領域的頂尖的科學家。有做基礎研究的、應用研究的或者先進的技術的，不同的學科的科學家在這裡邊交叉不斷地產生出令人心動的成果。
在我們這平臺上，你會發現這些頂尖的科學家，他們做的工作雖然說是很前沿，但是跟我們的生活密切相關。而我們的工作就是把這平臺建造好。
同步輻射相當於我們人類第三隻眼睛，它可以讓我們看得更細、更清、更遠、更真！我們就是希望這隻眼睛，有更強大的功能，有更強大的威力。
所以說，同步輻射是一把神奇的鑰匙，它為我們打開了一扇一扇微觀世界的大門，可以讓我們不斷地去探索，在這裡我們必然會不斷地創造奇蹟，實現夢想！