从微观世界到宏观宇宙的科学漫游 | 2024科学素养提升营回顾

滚滚热浪挡不住科学探索的脚步。

上海市教育委员会和世界顶尖科学家协会上海中心联合实施的“未来科学家”培养计划科学素养提升营火热进行。

2024科学素养提升营锁定生命科学、物理与工程、化学与材料、数学与计算机四个方向，学员们分十个探索小组走进大学校园和科研机构，跟随科学导师们一起冲浪科研前沿。

01

曹克诚：自己动手做爱因斯坦的实验

作为一所新兴的研究型大学，上海科技大学和“上海光源”“超强超短激光装置”等全球最大规模的大科学装置集群咫尺之遥，和周边科研院校合作频密，已成为整个张江科研生态圈的重要组成部分。

7月16日，五位学员走进上科大，跟随物质科学与技术学院助理教授、研究员、博导曹克诚老师感受浓浓的学术氛围，探索幽微深邃的微观世界。

曹克诚老师给学员们演示固态锂电池、MFI沸石分子筛、C60富勒烯分子等结构模型，又带领学员们深入拓扑物理实验室、分子光谱实验室，“管窥”科研前沿的日常；作为电子显微镜专家，带领学员们进入上海市高分辨电子显微学重点实验室是曹克诚老师的“保留节目”。徜徉在扫描电子显微镜和透射电子显微镜之间，仿佛站在了介观世界和微观世界之间的门槛上。

令学员们喜出望外的是，曹老师还给他们完整演示了电子显微镜的观测过程。搭载了一体化数字成像系统的电镜，操作简单高效。亲眼看见那些粒子在纳米级的世界里铺展，加深了学员们对“物质”这个概念的理解。“一切观测都是有损观测，除非观测对象自发光，比如太阳。”曹克诚老师三言两语就把著名的“测不准”讲得明明白白，“所以我们要尽量柔和地去观测。”

实验室的“实战演练”之后，一场科研课题组“组会”随即开始。以一张足球场在冬日里结霜的照片为引，曹克诚老师生动地阐释了电子和物质的相互作用。他希望学员们多思考这样的“朴素”问题：为什么物质会发生变化？驱动变化的能量哪里来？怎样证实变化的过程？

科学总是从问题中萌发，问题能驱动我们去学习新知。他也分享了一个从初中开始困扰他长达十年的问题：硫酸铜原子是自由形成的，但当它最后长成一个晶体时却是有序排列的，为什么？直至曹克诚老师开始博士后研究，利用电子显微镜论证了二步法重合原理，他认为自己才算真正解决了这个问题。

所以，仅仅在头脑中掀起风暴还不够，解决具体问题需要实践。当曹克诚老师还是个中学生的时候，就喜欢收集瓶瓶罐罐、各种电池，在家里进行简易的电解实验。他也鼓励学员们自己多动手，“钨灯丝加个电压，就是一把电子枪，加上磁场就可以偏转。爱因斯坦获得诺奖的实验其实就这么简单。”

02

陈雯：永不停歇的追“星”之旅

8月6日14时42分，千帆极轨01组卫星在太原卫星发射中心成功发射。长征六号改运载火箭一箭十八星，把中国低轨互联网“千帆星座”——媒体喜欢称之为“中国星链”——首批组网星送入轨道。

就在发射两周前的7月26日，科学素养提升营5位学员造访了这批卫星的“产房”——中国科学院微小卫星创新研究院，跟随科学卫星总体部副部长陈雯老师亲眼目睹了既庞杂又精密的卫星研制系统，感受了对即将升空的卫星进行最终调试的那种紧张氛围。

在我们的头顶每时每刻都有卫星飞过，陈雯老师带着学员们参观运控中心在轨保障大厅，了解运控中心如何用数据化管理的“线”，将上百颗如同高飞的风筝一般的在轨卫星牢牢地拽在手里；

学员们还参观了卫星飞行的模拟实验，科研人员利用导轨、机械臂和测距仪，模拟卫星在太空飞行中识别小天体目标，对其三维扫描建模、选择着陆区域。

科学卫星是陈雯老师目前的重点工作领域，经过她的梳理，学员们对科学卫星的认知也建立了初步的体系：科学卫星可以勾画“日地全景”，对整个太阳系展开研究。中国“夸父”卫星的观测，已经改变了一大批科学家研究太阳的方式；科学卫星可以通过对引力波的探测来感知到“时空涟漪”，中国“太极”项目在这个领域也走向了世界前沿；科学卫星还能寻找系外生命，中国的“ET”系外地球巡天计划，4年来已经发现了9颗“地球2.0”；科学卫星更能够在“极端宇宙”中经历超强磁性、超强能量暴，探究宇宙的真正面貌。

陈雯老师进入科学卫星领域的第一个项目，是和欧洲伙伴合作的太阳风-磁层相互作用全景成像卫星SMILE（Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer）。经过十多年坎坷波折，这个卫星将于明年发射升空。

半小时后，学员们不仅亲眼看到了这颗SMILE卫星，还用精密电子仪器对它进行了一番测量。

第一次走进温度恒定21摄氏度、每升空气微粒数极低的10万级洁净度卫星厂房，已经解锁了学员们的人生新体验，更别说面对一颗真正的卫星、由它的设计者本人亲自讲解，哪里是天线、它的推进器如何分工、星敏感器有何作用……

陈雯老师还带着学员们对卫星厂房进行了一番深度“游历”，不仅和大大小小的各种卫星不期而遇，还看到了数以百计的科研人员抱着电脑围着各种电缆、导线、卫星器件忙忙碌碌的场景——得趁着它们还在地面上时排除一切隐患，一旦发射升空，很多故障科研人员也无能为力了。

但陈雯老师也并不希望航天事业被“神话”，恰恰相反，“卫星已经走下了神坛”。随着微电子技术的发展，随着航天领域逐渐工业化，随着一代代技术的升级迭代，每年的卫星发射数量在节节攀升，“从追赶到平视，中国现在有能力技术输出了”。

中国航天的精进之路依靠的是几代航天人才的接力，陈雯老师希望学员们这一代人能早早做好接力的准备。她有一个大胆构想，也是一个长久的心愿：“未来可以让大学生甚至中学生自己造卫星。”一颗一两公斤重的微型“立方星”，在研制的过程中也能完整地学到体系化的卫星知识，涉及到的学科包括物理、工程、数学、天文、材料……

如果这些学生们亲手研制的“立方星”能发射升空，他们的航天梦就会跟随着卫星一起飞翔。

编 辑 | 秣 马

实习生 | 史新雨

责 编 | 小 文