本报记者吴月辉
位于青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖镇赛什腾山区域的冷湖天文观测基地。
记者张龙摄
在中国科学院高能物理研究所粒子天体中心，中国“极目”空间望远镜首席科学家熊少林检查望远镜运行状态。
记者金立旺摄
习近平总书记在全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会上指出：“当前，新一轮科技革命和产业变革深入发展。科学研究向极宏观拓展、向极微观深入、向极端条件迈进、向极综合交叉发力，不断突破人类认知边界。”
历史经验表明，每一次科技革命都会带动生产力产生质的飞跃，对人类生产生活方式、经济社会发展产生重大影响。把握新一轮科技革命和产业变革重大机遇，了解和掌握科学研究的趋势和特征至关重要。
“科学研究向极宏观拓展、向极微观深入、向极端条件迈进、向极综合交叉发力”，这“四极”的具体内涵是什么？将对科研工作带来哪些影响？本版今起推出“把握科学研究新趋势”系列报道，介绍相关领域的研究进展和发展方向。
——编 者
近日，中国科学院云南天文台研究团队通过高分辨率的磁流体动力学模拟，成功揭示了太阳低层大气中一种前所未有的快速磁重联现象。
磁重联在宇宙中极为普遍，对于解释宇宙中的各种磁能释放现象至关重要。此次新发现不仅揭示了太阳低层大气中快速磁重联的物理机制，获得与观测结果相近的极大磁重联速率，还为理解其他非完全电离环境中的磁能释放过程提供了新的视角。
对宇宙磁重联现象的研究是人类探索认识宏观宇宙奥秘的视角之一。近年来，随着科学技术不断发展，科学研究呈现出向极宏观拓展的趋势和特征。
“科学研究向极宏观拓展”的内涵是什么？有何重要意义？又会给科研工作带来哪些改变？记者采访了相关专家。
向更大的宇宙空间尺度和宇宙时间尺度迈进
爱因斯坦曾预言，未来科学的发展，无非是继续向宏观世界和微观世界进军。如今，宏观世界大至天体运行、星系演化、宇宙起源，微观世界小至基因编辑、粒子结构、量子调控，都是当今世界科技发展的最前沿。
什么是向极宏观拓展？“向极宏观拓展，实际上是研究对象的拓展，从地球延展到天体和宇宙。”中国科学技术发展战略研究院科技与经济社会发展研究所所长陈志说。
中国科学院科技战略咨询研究院院长潘教峰认为，宏观和微观是相对的，都是站在人类的视角去进行观察。极宏观更多可以从尺度概念上去理解，即向更大的宇宙空间尺度和宇宙时间尺度迈进。
自古以来，人类就对宇宙充满了好奇和向往。早在2000多年前，诗人屈原就在《天问》中对宇宙发出疑问：“天何所沓？十二焉分？日月安属？列星安陈？”天文望远镜发明后，人类逐步打开了科学认识、深入研究宇宙的大门。
潘教峰说：“射电望远镜的出现，让人类观测宇宙的尺度拓展到150亿光年左右的时空区域。如今，随着观测手段日益丰富、技术不断提高，对宇宙的研究也从定性描述发展到了精确时代，可以对宇宙物质组分的演化分布进行更精确的计算和分析。”
正如科学家所解释的，对宇宙的研究正向极宏观拓展。当前，宏观宇宙学的研究焦点主要是“两暗一黑三起源”。“‘两暗’是指暗物质、暗能量，‘一黑’是指黑洞，‘三起源’是指宇宙起源、天体起源和生命起源。”陈志说，这些方面一旦取得重大突破，将使人类对宇宙的认识实现新的重大飞跃，可能引发新的物理学革命。
把人类对客观物质世界的认识提升到前所未有的新高度
科学研究向极宏观拓展，一些基本科学问题正在孕育重大突破。随着观测技术手段的不断进步，人类对宇宙起源和演化、黑洞、暗物质与暗能量等的认知也越来越深入，把人类对客观物质世界的认识提升到前所未有的新高度。
比如，人类对黑洞的不断探索打开了宇宙和天体起源的新视野。黑洞是宇宙空间内存在的一种超高密度天体，即使光也无法逃脱它的引力束缚，仪器和肉眼都无法直接观测到。1964年，人类发现了第一颗恒星级黑洞。之后，科学家又陆续发现了更多的黑洞。
分布在全球8个不同地区的射电望远镜组成观测阵列网络，经过近2年观测和后期海量数据分析处理，于2019年4月发布了一个距离地球5500万光年、质量为太阳65亿倍的黑洞的照片，这是人类首次看到黑洞的“面貌”。
对黑洞的形成、性质、结构及其演化规律进行研究，对于更深入认识宇宙的演化具有重要意义。国际上很多重要的天文设施，如美国激光干涉引力波天文台、意大利室女座引力波天文台等，都把探测研究黑洞作为一项重要任务。
我国科学家也一直致力于黑洞研究，并取得了一批重大原创成果。2019年11月，中国科学院国家天文台研究团队依托我国自主研制的郭守敬望远镜，发现了一个大质量恒星级黑洞，并提供了一种寻找黑洞的新方法。
“理论预计，银河系中有数千万个黑洞，目前，我们继续利用郭守敬望远镜去发现银河系中更多的黑洞。”中国科学院国家天文台台长刘继峰说。
对引力波的探测研究开辟了探究宇宙起源的新途径，不亚于黑洞研究的意义。
早在一个多世纪前，爱因斯坦就基于广义相对论预言了引力波的存在，但直到2015年，科学家才探测到引力波信号，标志着引力波天文时代的开启，为研究宇宙起源与演化开辟了新的途径，也在全球掀起了引力波探测热潮。
据陈志介绍，我国近年来先后启动了多项探测引力波的项目，比如“太极计划”“天琴计划”，以及建设阿里原初引力波观测站等。
其中，“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST），在未知星体、未知宇宙现象、未知宇宙规律等领域，依托大科学装置和空间科学卫星进行系统部署，开辟了引力波研究新时代。
引发科研范式的改变
科学研究向极宏观拓展，正在引发科研范式的改变。
潘教峰说：“重大理论发现和科学突破越来越依赖于先进的实验装备和重大科技基础设施等科研条件的支撑。例如，‘中国天眼’的建成和运行就极大拓展了人类观察宇宙的边界。”
除了“中国天眼”外，一批性能更为先进的大科学装置正在加快建设。例如，由多国合作、正在建设中的平方公里阵列射电望远镜。该望远镜由位于澳大利亚西部的低频阵列和位于南非的中频阵列两部分组成，接收面积约1平方公里。这是人类有史以来建造的最大的天文装置，预计2030年前后投入使用。中国也是该平方公里阵列天文台的创始成员国之一，积极参与承担了中频天线结构、伺服控制系统、低频频率分发系统、科学数据处理等建设和研究工作。
与此同时，宇宙观测带来海量数据，亟须人工智能等先进技术的帮助。基于海量数据计算，可以发现传统研究方式下很难发现的新现象。
随着科学研究不断向极宏观拓展，科研任务的复杂度和系统性也不断增加，科学研究进入分工协作、整体推进的大科学新阶段。在这样的背景下，科学问题难度越来越大，科学研究的组织化程度越来越高，很多研究课题并非单一研究领域的团队或短时间内能够解决，而是需要大规模人员参与、分工合作才能完成。
陈志说：“为此，极宏观科研活动需要顶层谋划、统筹部署、分工明确、协同推进，全方位、多层次、宽领域协同。比如，为获得这张5500万光年外的黑洞照片，就组织了全球30多个研究所的科研人员共同参与。”
“人类探索宇宙永无止境，随着科学研究向极宏观不断拓展，我们对宇宙的认知也会不断被刷新。”潘教峰说。
