刘鹏：探索微观世界的神奇之光

中国科学院高能物理研究所研究员，博士生导师刘鹏

　　新浪财经讯 “CC讲坛”(第十期)于2015年12月5日在北京举行。上图为中国科学院高能物理研究所研究员，博士生导师刘鹏。

　　以下为演讲实录：

　　刘鹏：很高兴有一个机会向大家展示我们的工作。

　　我的报告首先从我们这个城市说起。北京很美丽、很诱人，但它也有很多不足之处，比如说它交通很繁忙、堵车很严重，这都是让我们很头疼的。所以如果你看到这张照片，马路上没什么人、没什么车，你第一反应是什么？限号？限行？或者说这可能不是北京。实际上它就是北京，2003年的北京。所以如果你要看到下面这幅照片，你就会知道，我们都会想起2003年那个难忘的春天。就在那个春季，一种叫SARS的病毒席卷了整个中国，以及小半个世界，近万人被感染，近千人被夺去了生命。如何战胜SARS？成了我们全人类共同面临的一个挑战。其实SARS这种病毒在显微镜下看很美丽，但它也很致命。因为病毒，我们大家其实都很熟悉，发现疾病、战胜疾病一直贯穿着我们整个人类发展的历史。病毒看上去很可怕，但是也不是无计可施。如果你能知道它的结构，你就可以找到它的作用机理，从而找到药物去治愈它、杀死它。那SARS的病毒是什么呢？它的结构是什么呢？我们想解开这把锁，能不能知道它的结构是关键。就好像，你要想打开这把锁，一定要知道它的锁芯的结构，就能配出相应的钥匙。全世界的科学家都在积极地做这个工作，在这场国际竞争当中我们国家的饶子和团队首先获得成功。他们率先解析了SARS主蛋白酶的结构，之所以他们能够摘下这个桂冠。其中有一个很重要的因素就是在2003年那个时候，正好是我带领着团队历时三年多建成了中国第一台专门用于生物大分子结构解析的同步辐射实验平台。就在这个实验站上饶子和他们团队经过几天几夜的艰苦努力，拿到了全部的数据最后解出了结构，阐述了SARS的作用机理并且开始了后续的一系列的药物研发。说到这里，这就是我今天向大家介绍的同步辐射装置。

　　同步辐射顾名思义就是一种辐射，你也可以理解是一种光。光，我们大家都很熟悉，光是我们人类最亲密的朋友。有了光，我们才能认识世界、了解世界、改造世界，也能更好的享受世界。其实有神论者也同意这个观点，所以《圣经》里记载上帝七日创造世界，第一天先造的就是光，然后才是世间万物。我们人类历史有很多的光，可见光、激光。一直到1895年这个叫伦琴的德国科学家他发现了一种更神秘的光，它可以穿透物质。当时因为它很神秘，所以给它起了一个名字叫X光。经过了将近100年的发展，X光已经运用到我们生活的方方面面，而且可以成为人们开展科学研究的一个重要工具。那么X光和可见光的区别是什么？首先，是因为它的波长不一样。波长很重要，任何一种光如果它要想看到物体，它看到物体的清晰程度就决定于它的波长。这就好像我们打鱼一样，你用的鱼网网孔大小是一定的，你要想捞到大鱼没问题。你要想捞到更小的鱼，就要用更细的网。那么可见光呢？它的波长是零点几个微米，所以你即使用最好的显微镜，你也顶多看到细胞大小。看不到原子、分子，因为原子的尺寸是可见光波长的千分之一，但是X光的尺寸，它的波长恰恰是这个范围。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！因为我们知道不同的材料就是因为它的元素构成不一样，那铁几毛钱一斤，金子一克就几百块钱。而且哪怕你是用相同的元素，比如同样是碳，不同的结构你可以得到不值钱的石墨也可以得到非常珍贵的钻石。

　　同步辐射其实就是一种很强大的X光，因为它们产生于很强大的加速器。加速器实际上是高能物理为了研究这个微观粒子发明的一个大型的科学装置。它们把电子加速到非常非常高的能量，然后接近光速的情况下去对撞，通过研究它们对撞以后产生的微观粒子来探索物质的基本结构。这种加速器造价非常高都是国家级的大装置，动不动就是几十亿、上百亿，而且用电量非常大动不动就是几千万度。但是在运行过程中科学家们发现这些能量其实很多并没有用在电子加速和对撞上。能量丢在哪儿了？实际上就是被电子甩出去了。就好像我们打把伞，你去旋转这个伞柄，雨珠会甩出去一样。那么这些甩出去的能量实际上就是一种辐射。因为它最早在1947年在同步加速器上被发现，所以命名为同步辐射。同步辐射一开始人人喊打，尤其加速器专家非常痛恨它。因为它损失了我们的能量，但是慢慢地人们发现同步辐射非常重要。从上个世纪60年代开始，很多的国家开始建造这种大型的加速器。不是在为做高能物理服务，而是专门用它的同步辐射来开展实验。到了今天全世界已经有六七十台，这种大型的同步辐射装置在开展运行工作。为什么花这么多的钱建这么多的同步辐射装置？因为它确实非常有用。任何领域、任何学科，如果你想在原子、分子的微观层次上去研究材料，你都可以利用它。它的用户群体非常广，科技产出也非常多。

　　之所以同步辐射这么受欢迎取决于它一系列的优异的性能。首先，非常强。跟常规的X光相比，它强的不是几百倍、几千倍，而是几百亿倍、几千亿倍。这就好像人类的大脑计算能力，跟超级计算机对比一样。所以我们前面提到你要是病毒这种蛋白晶体，在常规的X光机上你可能看到的仅仅是本底。但是在同步辐射上你可能几分钟、几秒钟，就可以获得很好的数据。其实上个世纪末，有一个重要的科学进展就是人类基因组测序。得到了基因组测序，下一步呢？因为光有基因组还不够，我们所有的生命活动都跟大分子有关。蛋白质就是这种所有的生命活动的基本的载体。要想了解它们的功能首先要知道它们的结构，所以在本世纪初科学家们提出了一个更庞大的计划，叫做结构基因组。想解析所有的人类基因对应的蛋白的结构，而要想解决这些结构，最主要的工具就是同步辐射。其实要是几十年以前，你可能每解出一个重要的蛋白结构，可能就能拿一个诺贝尔奖。但是现在呢成千上万的蛋白质结构已经被解析出来了，而它们绝大多数都来自于同步辐射光源。从1988年到现在，已经有6个诺贝尔奖跟结构生物学相关的。那么我们国家呢？我们国家其实在结构基因组测序中有1%的贡献。能不能在结构基因组中我们有更多的贡献，也取决于我们是不是有同步辐射装置。早在1965年，我们人工合成了胰岛素。这个时候，我们在结构生物学上实际上是国际领先的。但是很快几十年过去以后，我们被人甩开了。为什么？我们没有自己的同步辐射装置。到了2003年我们第一个实验站建成，出了一大批很优秀的成果，包括SARS病毒。紧跟着2007年，我们又建成了第二条。到今天，咱们中国大陆已经有6条蛋白质晶体学术线。我们的用户从原来不足10个，发展到现在200个。每年最顶尖的文章从原来每年不到一篇，现在到一年十几篇。在所有的结构生物学的发展过程中，同步辐射功不可没。

　　第二个特点，同步辐射它波谱范围非常广。它不只是X射线很强，其实从红外到可见光到紫外到X线，一直到伽马都非常强。能量可以选择，这是非常非常有用的。这就好像如果你只有一个能量，黑白照片你什么也看不出来，但是如果你有颜色的分辨能力，你可以很快得到它的所有的信息。X射线也一样，同步辐射与能量可以选择。我们不仅可以看到原子，而且可以看到原子的价态，可以看到它更精细的结构。我们举个简单的例子，我们知道环境污染现在是大家共同关心的问题，在我们国家广西一个地区，那个地方土壤里边砷的含量非常高。砷是什么？就是砒霜啊！所以给当地的人民的生活健康带来很大的影响。当时的科学院的生态中心的专家发现了一种植物——蜈蚣草，它可以非常高效力地从土壤里把砷收集上来，富集到植物体内，而且在转运过程中它的价态还在不断地变化。因为砷不同的价态，它可以分成有毒和无毒的。那么怎么解释它的机理？怎么说明它工作的原因是什么？实际上当时就是利用同步辐射这个强大的武器把这个蜈蚣草吸附的原理价态的转换解释了出来。为我们用植物来修补环境提供了重要的根据。

　　除了能谱很宽以外，同步辐射还有个优点。它准直性非常高，像激光武器一样！准直性好有什么好处。它可以把X光聚得非常小，我们现在可以聚到纳米尺度。那意味着我可以用X光去研究纳米颗粒，可以研究集成电路里边的电子学状态。这里边有很多很多应用。比如说，我们都知道地球的结构，地壳、地幔、地核。但是地球里边是高温高压呀！怎么去研究它里边的地学的很多的科学问题？科学家想出了一个办法。他们用非常非常小的金刚石的尖去压那个物质，产生非常高的压力，然后再用激光去给它加温，这样，我们可以人为地制造出几百万大气压几千摄氏度的一个环境。如果你说，这又跟我们有什么关系？没关系呀！地震你总关心吧！通过这种方法我们研究地壳的运动规律，可以阐述地震发生的原因，可以帮助人们来预测地震。如果说地震也很远，材料你总关心吧！我们所有材料都不外乎元素周期表里的100多种元素。可是你们知道吗，在高压情况下材料的原子结构会发生变化的。它可以呈现出很多常温常压下没有的性质。所以每过100万大气压相当于给我们提供了一个新的元素周期表。而更神奇的是这些材料的性能很多的时候，当它们从高压回到常压的时候性能会保留的，所以有人预测可能人类的第一个常温下的超导材料就会来自于高压。

　　同步辐射还有一个优点，它具有非常快的时间的结构。它的时间脉冲是皮秒量级。意味着它可以看到非常快的过程，我们人的眼睛一秒钟看了十几张图片。如果用同步辐射拍一个动画的过程返回来给你看，你可能几辈子都看不完。就是因为它可以非常快，可以用它来捕捉非常快的过程，比如像分子成键的过程，原子怎么形成的化学键。这我们都可以用同步辐射的手段来观测到。刚才说的都是微观的原子、分子。没有宏观的应用吗？其实我们平时接触的很多都是宏观，对吧！我们医院的体检、安检都是用X射线成像，但是用同步辐射利用它的相干性原理，我们可以用更特殊的一种成像方法，我们叫相位衬度成像。现在的都是叫吸收衬度。什么叫相位？举个例子，声我们可以说声音的响，声音的不响，通过这种强度来判断。但是如果你要加入了节奏，加入了频率，就可以形成各种各样的旋律。所有的声音无外乎它的幅度加上频率形成的，那么利用这种相位成像的话我们可以得到更高的分辨率，更好的灵敏度。这里我也举个小例子，这是达尔文。他提出了生物进化论说所有的生物在进化过程中都是一个循序渐进，缓缓进化的。但是在他的进化论中其实是有一个致命弱点的，那就是在距今大概3亿年前的寒武纪，那个时候有一个生物大爆发，突然之间涌出了很多新的动物的品种。怎么样通过考古，通过化石去解释这个问题，一直是一个谜。1998年，在我们国家的瓮安地区发现了一批非常珍贵的化石群——瓮安化石。它全都是一些多细胞的动物化石，距今将近6亿年正好是前寒武纪。那么怎么把前寒武纪的化石跟寒武纪的动物之间的关联，这个实际上是一直让考古学家苦思冥想的问题。当时古生物学家陈均远院士跟我们同步辐射专家就是我的导师——冼鼎昌院士，通过两方的交谈很快双方开始合作。当时正是利用我们同步辐射这种相位衬度，很快的可以得到化石里边的精细结构。因为你知道吗？一个动物卵的化石，一个卵不到一个毫米。如果用传统的方式，你很容易把这些珍贵的样品破坏，而且分辨率还不高。但是用这个相位衬度的话，你可以非常清晰的看到这些珍贵的化石内部的信息。当时就发现从前寒武纪的时候，就已经存在对称的植物的结构，动物的对称的结构，并且开始从对称向不对称去发育。这个结果当时发表在最顶级的杂志上，而且被评为2006年我们国家的十大科学进展之一。那么这种应用也是为我们考古打开了一扇门，其实这种方法不止可以用在化石上。可以用在很多的地方，比如说我们人类的组织的判断。现在我们团队正在努力把这种方法应用于常规光源，应用于我们的医学诊断。因为利用这种更高分辨，更高灵敏度的方法，我们可以早期的诊断癌症，找到肿瘤。当然，还有很多的工业应用。比如说这是山西的煤化所，他们在研究怎么把煤转化成油。要想把煤转化成油，催化剂的优化是重要一个环节。催化剂的优化就是用同步辐射这种方法来做的。

　　其实我们前面说，我们现在我们国家有三个同步辐射装置了，几十个实验站。但是其实还远远不能满足大家的需求，所以国家从十三五开始准备建立一个更新的大型的光源，我们管它叫第四代。这个光源它会跟很多的学科紧密相连，为我们国家的很多的领域提供支持。这些领域不止是科学研究，同时会解决很多重要的国家的重量科学问题。比如说，发动机叶片的研制，比如说工程材料，从它的生长、锻造到服役过程中的种种的特点的变化。比如说我们脑成像、脑认知，以及现在非常火热的材料基因组的研究都可能会用到同步辐射。同步辐射是一个非常神奇的平台，在这里你可以找到很多领域的顶尖的科学家。有做基础研究的、应用研究的或者先进的技术的，不同的学科的科学家在这里边交叉不断的产生出令人心动的成果。在我们这平台上，你会发现这些顶尖的科学家他们做的工作虽然说是很前沿，但是跟我们的生活密切相关。而我们的工作就是把这平台建造好，同步辐射相当于我们人类第三只眼睛。它可以让我们看得更细、更清、更远、更真！我们就是希望这只眼睛，有更强大的功能，有更强大的威力。所以说，同步辐射它是一把神奇的钥匙，它为我们打开了一扇一扇微观世界的大门，可以让我们不断地去探索。在这里我们必然会不断地创造奇迹，实现梦想！谢谢！

　　新浪声明：所有会议实录均为现场速记整理，未经演讲者审阅，新浪网登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述。