源，是萬事萬物的開端。自人類誕生以來，便對「源」滿懷著無盡的嚮往與憧憬。我們有世外桃源的浪漫情懷，有飲水思源的感恩之心，有正本清源的思考能力，探究本源成了刻在人類基因上的銘文。
物質的本源究竟是什麼？人眼所能觸及的事物是否能夠被持續細分？微觀世界又遵循著怎樣獨特的物理規律？
大道常存於至微之處，人類每一次向極限發起的勇敢追問，都化作了科技革命持續向前迭代的澎湃動力。而那些用以探究微觀世界的精妙工具，則成為了人們渴望求源途中的關鍵鑰匙。
在毫米級別的微小世界裡，光學顯微鏡像一把神奇的鑰匙，幫助人類輕輕推開了微觀世界的大門。從微生物的細胞到晶元的DNA結構，人類的視野已然拓展至納米世界。
01
同步輻射光源相關設備
如今，人們更是向更為微觀的原子乃至原子核層面發起了深入的追問。
我們是依據這樣的原理去洞察物體的：假設我們朝著一張網上發射眾多小球，部分小球撞擊到網上的不同位置後，散射向四面八方亦或穿透而過，若將所有小球的運動軌跡收集整合起來，便能反向推導出網身的結構與成分。借鑒這些原理，大科學裝置成為了人類叩響微觀世界大門的鑰匙。
砂輪鋸在工作時會沿著切線方向迸射出火花，這與接近光速的電子做曲線運動時在切線方向發射出電磁波的過程頗為相似，電子的能量越高，就能產生波長更短且穿透性更強的光——X射線。
同步輻射裝置正是巧妙運用了這一原理，從北京同步輻射裝置（BSRF）到合肥同步輻射裝置（HLS）、台灣光源（TLS）、上海光源（SSRF）和台灣光子源（TPS），再到正在建設中的北京懷柔科學城的高能同步輻射光源（HEPS），我國的同步輻射裝置已然從第一代穩步發展至第四代。
光源的發展日新月異、迭代更新，昭示著我國同步輻射事業的蓬勃興盛。
標誌同步輻射光源進化的一個最為根本的指標便是發射度。將四代光源與一代光源相比較，前者的發射度要優於後者一萬多倍。相同數量的光子集中於更小的範圍，其亮度自然就會更強。
X射線與原子的核外電子相互作用會產生豐富多樣的光電信號，其作用範圍大到能夠透視動物個體，小到可以推知原子的排列方式，它將成為探索物質結構與變化過程的強勁有力的科學利器。
質子以接近光速的速度運動，當它們撞擊到金屬靶材時，便會發生散裂反應，釋放出中子。中子具有磁矩且不帶電，能夠直接與原子核發生作用，具備強大的穿透性。
利用中子的散射技術，不僅可以探測微觀粒子的信息，同樣也能夠推知原子的排列方式，尤其對於氫元素能夠進行精準的識別。這一特性與同步輻射形成了極為良好的互補態勢。
02
原子世界相關設備
然而，無論是同步輻射中的光子，還是散裂中子源中的中子，它們與物質相互作用所產生的信息都僅僅是用於反推物質的結構。那麼，是否有可能直接拍攝到原子呢？人類再次向原子世界拋出了這一深刻的疑問。
在中國科學院物理研究所懷柔綜合極端條件實驗裝置中，透射電子顯微鏡是一種常用且基礎性的實驗裝置。在10萬伏的加速電壓下，電子穿透材料時會與原子相互作用。在另一側收集透射電子的信號，便能讓我們窺探到原子解析度的奇妙世界。
倘若將透射電子顯微鏡視作一台解析度極高的「照相機」，那麼藉助飛秒激光，它便能瞬間變身為一台兼具原子級空間和時間分辨能力的「錄像機」。
超快透射電子顯微鏡，它能夠以一萬億分之一秒的驚人時間精度拍攝照片，這不僅為材料結構相變、化學催化反應、生物大分子摺疊等超快動力學過程的直接觀測提供了卓越的高性能工具，也為自由電子與光子相互作用的相關研究搭建了全新的平台。
100年前，科學家們便已發現原子內部的結構，如今在初中生的課本上也會講述到，原子內部的結構包含原子核和電子。那麼，我們是否有辦法運用更為強大的工具去開啟這些更為微觀粒子的神秘大門呢？這些基本粒子又具備怎樣獨特的性質？
事實上，我們探索微觀世界的步伐還遠遠未曾停歇。若想深入了解電子的結構，就需要將電子打碎，而打碎電子的方法便是通過撞擊。
電子和正電子被加速到接近光速後，在幾十微米的狹小空間範圍內進行對撞，一秒鐘內會有上億個電子和正電子交錯而過，然而真正有效的對撞卻僅有幾百次。
粒子物理實驗學家們利用設置在對撞點周圍的大型粒子探測裝置北京譜儀Ⅲ，對撞產生的全部末態粒子進行精確的測量與細緻的分析，從而深入研究其中蘊含的內在規律。
電子內部的物質在如此極端的實驗條件下，才能夠被人們有效地觀測和研究。電子內部究竟是什麼？膠球的特性又是怎樣？是否會有新的物理現象誕生？
這一切的答案都隱匿在那電光火石的碰撞瞬間之中。在北京正負電子對撞機中，對撞並非終點，而是新發現的起點，它已然成為研究基本粒子、破解世界萬物基本構成之謎的關鍵重要手段。
碰撞，並不單單意味著分裂，也同樣意味著融合。
自然界中所發現的最重的元素是92號元素鈾，而所有的超重元素均是通過人工合成的方式獲得。如今，人們已經成功合成到118號元素，將元素周期表的第七周期完整地填充完畢。
在蘭州，中國科學院近代物理所擁有亞洲能量最高的重離子加速器，能夠將從輕到重的離子加速到所需的能量狀態。
通過離子加速器，可以使離子克服自身與靶核之間的庫侖斥力，進而發生核融合反應，產生更為重的元素，有望開啟元素周期表的第八周期。科學家們還能夠巧妙地運用離子束來治療癌症、進行誘變育種等。
人類生活在一個由經典物理所支配的宏觀世界裡，想像一下，倘若我們面前是一片浩瀚無垠的汪洋大海，當我們沿著河流逆流而上，去探尋這一切的源頭時，便不得不跨越重重艱難險阻，直面種種嚴峻挑戰，甚至有時需要重新構建各種物理定律。
而那最終的源頭究竟是否存在？它又將會為我們帶來怎樣一個全新的世界？這個深邃的問題，就讓我們留待未來去解答吧。
【文本來源@中科院物理所的視頻內容】
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