很難想象,我國在四川涼山錦屏水電站隧道中部地下2400米處,造了一個全球最深、最大的極深地下實驗室。
以一層樓3米高來計算,那就是地下800層的深度!
2010年12月12日,中國錦屏地下實驗室一期投入使用。
2023年12月7日,中國錦屏地下實驗室二期前沿物理實驗設施工程完工,全球最深、最大的極深地下實驗室正式投入科學運行。
為什么實驗室選在錦屏?
專家在全國各地考察了很久,最終鎖定在四川錦屏,因為這里的垂直巖石覆蓋厚度達2400米,山體能有效屏蔽99.999999%的宇宙射線,為實驗室提供一個極其純凈的研究環境。
實驗室上方有世界最大規模長引水式水電站錦屏二級水電站,能提供充足的電能。
此外,水電站本身就有一條總長17.5公里的隧道群,能極大程度提高實驗室的建設成本和效率,也方便后期工作人員的進出和運輸設備物資。
建造地下實驗室遇到了哪些困難?
雖然有現成的隧道,但考慮到還需要在地下2400米單獨修建實驗室,巖體承受的最大壓力超過113兆帕,相當于11000多米的水壓力作用在巖石上,所以稍不注意就會引發巖爆塌方。
在施工過程中,確實也發了多次小型巖爆,其中最嚴重的一次極強巖爆,產生的能量相當于2.3級地震,當時約有1000立方米的巖石出現塌方,不過好在最后都挺了過來。
另一大難點在于氡氣。
氡氣會影響精密儀器的測量精準度,長期沉積能讓儀器數據差異高達100%,不巧的是,錦屏山下方巖體會釋放氡氣。
為此,科研人員想了一個辦法,給實驗室表面定制一套“防護服”,由10層材料組成,厚度約10公分,膨脹螺栓20多萬個,錨桿5萬多個,拼接縫5萬多米。
這層特制防護服能屏蔽巖石產生的水和氡氣,其中氡氣抑制率高達99%。
早期,國內沒有合適的深地實驗環境條件,大量來自清華大學、上海交通大學、中國原子能科學研究院等高端人才,只能通過租賃其他國家的實驗室做研究,但很多方面都受到限制,極大程度影響了科學研究。
我們迫切渴望能擁有一個屬于自己的深地實驗室,值得慶幸的是,我們不僅成功了,還創造了多個“世界第一”。
錦屏深地實驗室容積約33萬立方米,是第二大的格蘭薩索實驗室的1.8倍。
錦屏深地實驗室位于地下2400米,宇宙射線通量只有地面的億分之一,是全球最深地下實驗室。
目前,包括清華大學CDEX實驗團隊和上海交大PandaX實驗團隊,共有約10個團隊已經入駐開始了科學研究,主要研究內容包括暗物質探測,其他研究包括中微子研究,核天體物理、深地醫學、深地巖石力學、微弱力測量等多個學科門類。
從實驗室正式投入使用以來,中國科研團隊累計發布120多篇高質量論文,獲得了多個獎項,例如2022年自然科學一等獎,同時也培養出了一大批年輕杰出人才。
為什么要研究暗物質?
宇宙遠沒有我們想象中的這么簡單,2025年最新研究數據,由原子、分子構成的物質,也就是宇宙中我們觀測到的“實物”,僅占宇宙總質能的5%。
這就細思極恐了,言下之意,還有95%的“東西”我們沒有觀測到。
余下部分中,暗能量占比68%-74%,暗物質占比26%-27%。
暗物質是宇宙中的一種不可見的物質,之所以被推測出來,是因為大量觀測顯宇宙的質量總和,其實是遠低于總質量的,所以被引入了暫時還不可見的“暗物質”概念。
假設一個長200米,寬200米,高200米的空間內有一個人,肉眼看到后,測出這片空間內的質量是A。
但是空氣也有質量,經過精密計算后,得出這片空間所有物質的質量是A+X,那么X就是空氣的質量,雖然肉眼看不見,但卻真實存在,由于我不是專業的,盡量通過比喻來表達。
研究暗物質和暗能量,但凡有點新的發現,都將推翻以往大量研究成果,背后帶來的效果不是三言兩語能說清楚的,沒準能研發出新的武器,又或者研發出新的能量形式,目前這塊誰也說不準,但誰先研究肯定占據優勢。
就像張三在研究今天中午吃什么菜的時候,李四已經開始研究空氣動力學了,遙遙領先肯定是有必要的。
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