真的就这么棒!

一只大黑猫　毛新愿

《科学Fans》在2016年9期，曾经做过关于中国科学院国家天文台的500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST）的专题。这座望远镜的镜面直径500米，焦比达0.467，其主体工程于2011年开工，2016年落成。它也是目前世界上最大的单一口径、填充口径（即全口径均有反射面的）射电望远镜，它代表着我国在天文研究方面，已处于世界领先水平。

而在我国科研技术其他领域，类似于FAST“天眼”这样，在世界上位于前列的“超级工程”，其实比比皆是。

嫦娥四号：代表人类首次探索月球背面

人们已经习惯抬头望月，但很少有人注意到：从古至今看到的月球表面几乎没变过。这是由于地球强大引力的影响，月球围绕地球一圈的公转周期完全等于它的自轉周期。从地球上，基本只能看到当初它被固定朝向地球的一面。

因此，尽管月球背面研究价值极高，但由于月球本身的阻挡，人类很难与月球背面通信，更不用说登陆探索了。人类长期以来的月球着陆器，甚至大名鼎鼎的阿波罗11号，都只选择了正面登月。

登上月球背面的嫦娥四号

月球正面（左）和月球背面（右）看起来截然不同

2018年12月8日，中国嫦娥四号登月探测器从西昌卫星发射中心成功升空，在进入环绕月球轨道后，于2019年1月3日成功着陆月球背后。就此，中国成为第一个抵达月球背面的国家。而为了这次壮举，中国科学家实现了两大技术创新。

鹊桥中的中继卫星

为了解决嫦娥四号的通信问题，2018年5月，中国就成功部署了鹊桥号中继卫星，在月球背后6.5万公里之外的地月拉格朗日二点附近晕轮轨道簇上运行。

这是人类历史上首颗月球信号中继卫星，它架起了地球和月球背后的“鹊桥”，将全程见证嫦娥四号的探测过程。

嫦娥四号通过鹊桥号中继星实现与地球通信

创新的着陆方式

月球背面地理情况复杂，降落的难度大大增加，对嫦娥四号着陆时的避障要求也远高于其他在月球正面着陆的任务。因此，中国的科学家团队为嫦娥四号设计了富有创新性的着陆方式。

可以看出，在进入准备阶段后，嫦娥四号的轨迹不降反升，而后进入一个几乎要实现长距离垂直下降的过程，期间完成避障、悬停、精避障、缓速降落全过程，难度极大。这么一个复杂的“走位”，对自主导航制导与控制要求极高。

除了中继卫星和着陆方式两大技术创新之外，嫦娥四号月球探测器还有其他值得称道的技术。为了应对月球背面的低温环境，嫦娥四号上携带了放射性同位素钚一238核电池，钚-238在长达88年的半衰期内会源源不断释放热量，这些热量既可给探测器保温，又能为探测器发电。这也是中国首次实验自己的核电池技术。

此外，嫦娥四号携带了多个与荷兰、瑞典、德国、沙特合作的国际载荷。它不仅是中国的，更是全世界的。它的科学和工程意义，对整个人类而言都是重大突破。

世界首颗量子科学实验卫星：墨子号

“量子”这个概念，自从20世纪初被普朗克提出，已有百余年历史。关于量子的研究，至今依然是理论物理的前沿领域。它也与其他科技行业结合，产生了许多技术层面的应用，量子通信就是其中之一。

量子通信，简而言之是以量子为介质的通信的一种技术。目前对它的研究主要有两个方向：量子密钥分配与量子隐形传态。前者是通过量子的不可测量和不可克隆性对信息进行加密，具有极高安全性。后者则是通过量子纠缠现象实现信息的超距离传输。

在国际上，量子通信的技术应用方案在1993年就被提出。4年后，在奥地利科学家的实验室中正式完成了实验验证，并随着研究的推进，已经逐渐从实验室演示走向产业化。量子通信，也代表了未来通信技术发展的方向。

墨子号登上Science杂志封面

后来居上，中国量子通信研究屡创奇迹

在这场量子通信研究的国际赛跑中，中国属于后来者，但在这个方向上我们一直奋起直追。用了短短十多年时间，将量子通信，从实验室理论转化成了可投入实际应用的科技成果，建成了可以服务于商业、政务、民用的量子通信网络。在这过程中也涌现了郭光灿、潘建伟、王建宇等专家带领的优秀科研团队。

2004年，郭光灿团队完成了途经北京—河北—天津的量子密钥分配。

2005年，潘建伟团队实现了13公里自由空间量子纠缠和密钥分发实验，验证了星地量子通信的可行性。

2008年，潘建伟团队建成基于商用光纤的量子通信网络。

2009年，郭光燦团队建成世界上第一个“量子政务网”。

2011年，王建宇团队研发出“星地量子通信系统”，能实现星地之间的量子通信。

2012年，合肥市城域量子通信实验示范网建成并进入试运行阶段。

2013年，中科院在国际上首次成功实现星地量子密钥分发的全方位地面试验。

而墨子号科学实验卫星，是量子通信众多科研成就中最为耀眼的一个。

世界第一：墨子号量子科学实验卫星

2016年8月16日凌晨，我国第一颗，同时也是世界第一颗量子科学实验卫星，在酒泉发射基地发射升天，这颗卫星，被命名为墨子号。项目的研发团队，正是曾在量子通信方面取得过卓越成就的潘建伟团队。

墨子号的升空，标志着我国已构建出全球首个天地一体化广域量子通信网络雏形，在世界量子通信理论以及应用研究方面，走在了最前列。

在升空后，墨子号一直表现良好，到今年年初，它顺利完成了星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验、地星量子隐形传态实验4项实验工作，并继续保持良好状态。预计墨子号将超出预期使用寿命，继续工作至少2年以上，并展开更多国际合作。

正因为墨子号的出色表现，潘建伟教授团队在2019年1月31日，被美国科学促进会授予2018年度克利夫兰奖。这也是该奖项90多年来首次颁给中国科研团队。

中国与奥地利合作，通过墨子号成功实现距离长达7600km的洲际量子密钥分配通信实验

墨子号卫星部分零部件

国产超级计算机“神威系列

自从1976年，美国克雷公司研发出世界上首台运算速度达每秒2.5亿次的计算机克雷1号，“超级计算机”终于从一个科幻概念变成了现实。一台超级计算机，一定要拥有超过普通个人电脑若干个数量级的数据存储量以及运算速度。可以在许多科研领域完成人类或者普通计算机无法胜任的数据处理工作：空气动力模拟、气候变化预测、建筑设计中的力学计算、基因测序……现代科学研究的各个领域，往往都涉及超海量的数据运算与处理，因此一台出色的超级计算机，可以说是推动科研进步的神器。

从零开始，中国超级计算机俗登顶业界榜首

比起美国，中国超级计算机研发起步较晚，1983年研发出第一台自己的超级计算机银河一号，成为继美国、日本之后第三个能独立设计和研制超级计算机的国家。但中国在这个领域发展速度很快，到了2016年，德国法兰克福国际超级计算机大会（ISC）公布的世界上处理速度最决的超级计算机TOP500榜单中，中国已有167台超级计算机上榜，超越美国165台成为上榜最多的国家。而居于榜首的超级计算机，同样出自中国，它有着—个颇具武侠范儿的名字——神威·太湖之光。

值得一提的是，被它从榜首位置上拉下来的第二名天河二号，同样出自中国，在此之前，天河二号已经盘踞TOP500榜首3年了。

神威·太湖之光整体：由8台网络机柜和40台运算机柜构成

神威·太湖之光总架构

自主研发，超级计算机界的下一顶皇冠

神威系列超级计算机，是我国超级计算机主要四个系列之一（其他三个分别是银河、曙光、天河），从1999年的神威|开始，神威太湖之光已经是该系列的第四台超级计算机，它共有40960块处理器，每个单个处理器有260个核心，其持续运算速度可达到930100000亿次/秒。

作为神威系列第四台计算机，神威太湖之光更为重要的意义在于，作为超级计算机核心部件的处理器，首度采用中国自主研发生产的申威26010处理器，这意味着中国今后的超级计算机研发，不再受制于国外处理器厂商。

2018年8月，神威系列最新超级计算机：神威E级超算原型机已研发完成并正式投入启用。新的超算原型机运算速度能达到每秒百亿亿次，它将成为超级计算机界的“下一顶皇冠”。

神威·太湖之光

神威·太湖之光采用的國有自主研发申威26010处理器

神威E级超算原型机

复兴号：“中国速度”创造的奇迹

中国幅员辽阔，领土跨越5个时区，东西最长距离约5200公里，南北距离约为5500公里。再加上国内地形复杂多变，要满足国人的交通运输方面的需求，是一大难题。作为全世界公认的“基建狂魔”，中国在这方面对基础建设的投入不遗余力，“中国速度”四个字，足以概括我们在这方面所创造的奇迹。而中国的高铁建设，是这些奇迹最直观的写照。

高铁战略：从引进吸收转化到自主知识产权

对中国高铁的发展来说，2004年是一个关键的时间节点，在此之前，中国曾经自主研发了多款用于高速铁路上运行的电力动车组，但由于整体核心技术不成熟，所以难以商业化。2004年，中国改变策略，从完全自主研发，变为从国外引进高速列车与技术，并尽快实现国外引进技术的吸收与转化。同时，国务院批准中国大陆第一个《中长期铁路网规划》，正式宣布规划建设里程超过12万千米的客运专线，客车速度目标值达到每小时200千米及以上。

仅用了4年时间，中国在大力加强高速铁路网线基础建设的同时，铁路客车制造商通过部件、设计的改进、技术吸收和技术转化，已经积累了足够多的经验，开始实现制造下一代高速列车的目标。自主知识产权高速列车再次被提上议事日程。

中国高速铁路网（预计至2020年）

和谐号动车组

复兴号动车组

中国速度：复兴号背后，一个个高铁世界纪录

2008年2月，科技部、铁道部共同签署《中国高速列车自主创新联合行动计划》，提出中国将建立并完善具有自主知识产权、国际竞争力强的时速350千米及以上中国高速铁路技术体系。

在这过程中，中国高铁建设创造了一个又一个世界纪录：

2010年，京沪高铁枣庄至蚌埠试验段，CRH380AL（和谐号）创造运营时速最高一486.1公里。

2012年，世界首条新建高寒地区高铁——哈大高铁投入运营。

2012年，世界单条运营里程最长高铁——京广高铁全线开通运营。

2014年，世界上一次性建成里程最长的高铁——全场1776公里的兰新高铁全线贯通。

2017年底，全国铁路营业里程达到12.7万公里，其中高铁2.5万公里，占世界高铁总量的66.3%，是当之无愧的世界冠军。

2012年开始，中国铁路总公司开始相关自主产权电力动车组的研制，2013年“中国标准”动车组项目正式启动，这正是复兴号的前身。经过两年多的研发，在2015年正式完成并投入试运行，并在2017年正式更名为复兴号，而在同年，创造了时速350公里的世界纪录。复兴号成为世界上运营时速最高的高铁列车。

“东方超环”中国的人造小太阳

“托卡马克”装置内部结构示意图

核能是一种低排放、高效率的清洁能源，一直被视为化石能源最有希望的替代者。但是人类目前对核能的开发，基本集中在核裂变所产生的核能方面。而核聚变，就人类长期以来的科学技术水平，无法对聚变反应进行约束，实现其可控化（氢弹属于不可控的核聚变）。所以可控核聚变一直是人类在能源开发方面的一个终极梦想。拥有了可控核聚变，人类就拥有了掌握在自己手中的“太阳”。

而这个梦想，如今正在逐渐被中国的科学家们实现。

可控核聚变的世界难题

如何对核聚变进行约束，使其变得可控化？目前理论上有两种可行方式，分别是惯性约束和磁约束。

惯性约束是通过引力或强光的压力约束聚变燃料，形成规模可控的高温等离子体。而另一个方向就是通过超导磁体所产生的强磁场对聚变反应进行约束。20世纪50年代，苏联科学家发明了称为“托卡马克”（Tokamak）磁约束聚变装置，之后大半个世纪，不断有科学家们以此为基础进行研究，并发起了名为“国际热核聚变实验反应堆”（International Thermonuclear Experimental Reactor，简称ITER）的跨国合作研究项目。

屡获突破的“东方超环”

1998年7月，由中科院主持，中科院等离子体物理所承担“HT-7U超导托卡马克核聚变实验装置”的建造项目正式立项。2003年HT-7U正式改名为EAST（Experimental and Advanced Superconducting Tokamak），这正是之后在业界大名鼎鼎的“东方超环”。

2006年，就在中国加入ITER的同年，EAST正式建成，并于第二年通过验收。也正是这两年里，EAST两次放电调试成功，获得了稳定可控的各种磁位形高温等离字体。之后，EAST也屡获突破：

2012年，实现超过400秒的高温偏滤器等离子体;稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电。这分别是当时世界最长时间高温偏滤器等离子体放电，以及最长时间高约束等离子体放电纪录。

2016年，实现电子温度超过5000万度;持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。这也是当时国际托卡马克实验装置上电子温度达到5000万度持续等离子体放电时间纪录。

2017年，实现了稳定的101秒稳态长脉冲高约束等离子体运行，再次突破了相关世界纪录。好温2018年，EAST实现1亿度高温等離子体运行，这是世界上首次实现等离子体中心电子温度达到1亿度的里程碑。

“东方超环”的称号名副其实，它代表我国在可控核聚变技术上一直走在世界前列，而可控核聚变能源，离我们将越来越近。

“东方超环”EAST

EAST内部结构图

数字上的中国奇迹

新中国成立70年，中国在科研领域发展迅速，并且以开放和包容的姿态，更加深入地与世界接轨，融入并引领着全球的科技发展进步。而这一切改变，其实都通过我们身边的点点滴滴有所体现，而那一个个打破世界纪录的超级工程，正是科技改变生活的最鲜明注脚。