那是一隻神奇的天眼，把深空的秘密擒到人間

那是一隻神奇的天眼，把深空的秘密擒到人間

英國媒體BBC在五月二十三日向全世界發出了【中國的科學革命】的專題報道[1]，文章一開始就點題中國貴州平塘的巨型射電望遠鏡，介紹詳實，圖文並茂，引起了我極大的興趣。

400多年前，伽利略首次端起光學望遠鏡朝向星空，為人類觀測宇宙的奧秘開啟了一個窗口。接著人們發現，天體除了發出可見光，還發出電磁波，於是用來觀察、接收和分析深空中電磁波的射電望遠鏡就成為了天文學家的利器，它為人類探索宇宙打開了一扇大門。20世紀60年代天文物理學取得了四項非常重要的發現：脈衝星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機分子，這著名的“四大發現”都與射電望遠鏡密切有關。

物理學告訴我們光波就是波長較短的電磁波，因而射電望遠鏡和光學望遠鏡實際上就是同一類工具，它們檢測的僅是不同波長的電磁波。這有點像體溫計和氣溫表，它們的差別就是測量溫度的不同的區域而已。所以把這兩種望遠鏡都稱作電磁波望遠鏡似乎更為妥切，不知這樣的提法是否也算原創？由此可知射電望遠鏡的基本工作原理與反射式光學望遠鏡不會有多大區別，它們都是依靠一塊大型反射鏡盡可能多地收集遠處微弱的電磁波，並使之聚焦到一局部區域，然後紀錄下來供進一步的分析處理。

P1)上圖為世界各國大型射電望遠鏡的主反射鏡尺寸比較。下圖的橫軸為天體電磁波的波長，縱軸為地球大氣層對電磁輻射的非透明度。

P2)天球掃描圖：從上到下波長分別為：可見光波段；21CM 中性氫原子幅射；73.0CM波段。

P3)基本原理示意圖：上部為牛頓反射式光學望遠鏡，下部為射電望遠鏡。

衡量射電望遠鏡性能的基本指標是空間分辨率和靈敏度，前者決定了區分天空中彼此靠近的射電點源的能力，後者反映了探測微弱射電源的能力。與光學望遠鏡一樣，射電望遠鏡的分辨率和靈敏度主要決定於它的主反射鏡的尺寸，那塊主反射鏡就像美女的眼睛，越大越好。

在過去的幾十年中，射電望遠鏡的主反射鏡越做越大，但“大有大的難處”。要把直徑幾十米大的反射鏡安裝在高塔上，讓它能轉動自如並穏定地跟蹤天體目標，技術上有許多的難處。

60年代中期，美國在中美洲的波多黎哥利用一個天然窪地建成了305米直徑的射電望遠鏡，它保持最大口徑射電望遠鏡的冠軍稱號長達幾十年[2]。可惜它的好日子所剩無幾了，即將在貴州平塘山區建成的中國射電望遠鏡的孔徑為500米（簡稱FAST Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope），今年秋季建成後它將傲視全球無敵手！

P4)貴州省黔南州平塘縣大窩氹窪地原貌

P5)建沒中的世界最大單體射電望遠鏡

如此巨大的主反射鏡的自重都在數千噸以上，把它們放置於活動支架上讓其轉動的這條路根本走不通。可行的辦法是利用天坑似的窪地，先建一個鋼結構的園環，然後把主反射鏡球麵固定在園環上。通俗地講，FAST像是一口大鍋，窪地則是支撐這口鍋的鍋架。現在的關鍵是如何讓這塊主反射鏡可以改變觀測方向和跟蹤待測的天體。這就涉及到中國FAST的自主創新的兩項核心技術：“饋源支撐係統”和“主動反射麵單元”。

改變和控製這個巨形主反射鏡的觀測方向的秘密全在P6的左邊示意圖中。這是一張二維的剖麵圖，圖中有二條同心園弧，下麵大的一條即是主反射鏡，上麵一條小的園弧是饋源的活動軌道。當饋源移動到軌道上某一點，饋源與園弧中心的連線就是反射鏡的觀測方向，與該軸平行方向入射的電磁波均被聚焦後送之饋源後接受分析處理。

P6)FAST改變觀測方向的示意圖。饋源沿著內園弧移動，其中S1即為觀測方向。

P7)FAST的主動反射麵單元

用這種方案來改變觀測方向避開了轉動巨大主反射鏡的困難，損失的是反射鏡的有效孔徑，一隻五百米的主反射鏡實際上每個時刻隻用到了其中的三百米孔徑。這實在也是無奈，是工程上常常要做的妥協。一流的工程師與現代政治家都是妥協折中的高手。我一貫欣賞和支持有工程師背景的政治家，千萬不能讓理論物理學家介入政治，他們隻會追求完美和認死理，要讓他們做點實事那一定會導致人仰馬翻。

千萬別以為移動饋源是小事一樁，饋源包括了電磁波接收，波導轉換，信號前置處理和電磁屏蔽罩，這個統稱為饋源艙，它自重不輕，還要讓它在500米空間跨度上作精確移動和定位實屬不易。中國科學家為饋源的支撐控製作出了“變革式的創新設計”，該係統使用六根大跨度柔索，牽引饋源艙做高精度三維掃描運動，與美國305m口徑的饋源係統相比，重量由1000噸降至20噸。方案重點解決了牽引索柔性結構的精確力學建模和仿真，牽引索柔性結構的控製，以及粗精兩級調整係統的動力學耦合與複合運動控製等問題，使饋源艙的動態定位精度達到了毫米級！中國的這台巨無霸射電望遠鏡的天空覆蓋可達到天頂角40度（即入射光線於與地麵法線間的夾角），這個重要指標也遠超美國305米孔徑的那台射電望遠鏡。

我對FAST的另一關注點是“主動反射麵單元”，這是FAST的另一獨創設計。FAST的25萬平方米主反射鏡是由4450塊六邊形反射麵單元組成，這些反射麵單元都有獨立支架並可調節（見圖7）。在某個時刻當饋源移動到某一確定位置後，球形主反射鏡中針對著饋源的各有效使用反射麵單元會略作調整，實時擬合成一個瞬時拋物麵。FAST通過此方案改正了球差，簡化了饋源，克服了球反射麵的線聚焦造成的窄帶效應[3]。熟悉並掌握該項技術對於將來研製大型太空望遠鏡也具有重要意義，我在前一博文“六年鑄一鏡，光彩照乾坤”中曾指出：“從長遠來看，由組合可調鏡片構成大型太空反射鏡的技術遲早必須掌握，因為運載火箭的尺寸畢竟總是有限的，而對大尺寸主反射鏡的需求卻是剛性的。”由此可見建設大型科研項目的意義和收獲是豐富多樣的，各類技術是互相有關的有機整體，它們是可以觸類旁通舉一反三的，重要的是要去做，在挫折和失敗中接受教訓、積累經驗，這才是科技立國的唯一通途。

到此可作個小結：中國的FAST是球麵形射電望遠鏡，其主反射鏡的支撐麵做成球形，饋源被六根柔性懸索吊掛在離開主反射鏡近百米的高空，饋源在同心球麵移動時與主反射鏡基準麵保持等距，其定位精度達毫米級。而主反射鏡做成分布可調單元確保對饋源的每個瞬間形成拋物麵，使有效反射麵上的所有入射電磁波以點方式聚集於饋源上。從饋源得到的訊號經前置低噪聲放大器放大後轉換成中頻，然後通過懸掛在柔索上的光纖送至訊號處理中心。

P8)中國貴州平塘射電望遠鏡與係統示意圖

P9)即將完工的貴州平塘巨型射電望遠鏡

建設FAST射電望遠鏡對天文物理學研究的意義十分明顯，本文就不再細述，這裏有必要強調它在其它一些相關領域中的應用。由於FAST對深空電磁波觀測上的高分率和高靈敏度，它可參與中國航天工程中的測控係統，把中國空間測控能力由地球同步軌道延伸至整個太陽係，也可用它來接收深空衛星的通訊數據，把數據的下載速率提高100倍！FAST也可作為非相幹散射雷達接收係統，提供高分辨率和高效率的地球中高層的大氣、電離層和地磁場的有關參數，為子午工程（大型空間環境地基監測係統）作出貢獻。其實FAST就是放在雲貴高原上的一部超大型被動式雷達，它在軍事戰略上的作用我不想置喙。據我所知，美國建在波多黎哥的最大的射電望遠鏡一開始就帶有軍事目的，當時軍方就是想利用該設備研究彈道導彈的戰鬥部和誘鉺穿越電離層時的電磁特征。事實上這些花費巨額資金建起的大型工程項目都會有軍方的背景，這些也都是公開的秘密。

這座為世人矚目的射電望遠鏡建在中國貴州省黔南州平塘縣大窩氹窪地，天坑似的窪地與500公尺反射鏡地形匹配，減少了施工工程量，大窩氹的喀斯特地質特性可以避免雨水積聚導致天災。大窩氹附近沒有集鎮和工廠，在5公裏半徑之內沒有一個鄉鎮，25公裏半徑之內隻有一個縣城，遠離各類人為電磁汙染，這是極為理想的選址。

大型天文台的選址從來就是一個嚴肅的課題，選址有點像男女相親，選定合適的地點關係著天文台的一生一世。把世界最大的射電望遠鏡選定在貴州平塘的山窪裏真可謂老謀深算、棋高一招，上麵提到的選址原因媒體都有報道，我要披露的其它一些因素卻少為人知。貴州黔南地區冬暖夏涼，氣溫長年在20攝氏度上下，大型反射鏡麵金屬材料的熱脹冷縮問題容易得到控製，試想一下把它建在華北或東北，一係列的工程問題定會讓建設者頭疼。北國的冬天，千裏冰封、萬裏雪飄，屆時神奇的天眼大約也隻能閉目冬眠了。而且黔南地區風速小，風向少變，這點也很關鍵，否則跨度500米由六根柔性懸索吊掛在100米高空的饋源真會讓人心憂！還有一點更為重要，貴州不是地震多發地帶，大型精密工程建在四川、雲南等地就不太合適。順便提一下，正是因為擁有這些得天獨厚的優勢，貴州已經成為許多跨國公司建立雲端服務中心的首選地。

請想信我，我提供的深度分析不會有錯，道理十分簡單，我是半個貴州人，貴州就是我的第二故鄉。七十年代，我被複旦發配到了貴州，漂泊在貴州的山水間有五、六年之久。當年畢業分配到貴州原是一種懲罰，誰知我因禍得福，在貴州的深山中躱過了一場又一場的政治風暴，我在純樸正直的山民的關心和保護下安穩地度過了我的青春歲月。我對那塊土地的依戀是常人難以理解的，這也是我對貴州平塘射電望遠鏡項目有著特殊感情的主要原因。

P10)貴州平塘射電望遠鏡周邊的山寨村民

P11)貴州平塘的布依族民居

BBC有關貴州平塘射電望遠鏡報導中的一張照片把布依族村寨和村民的形象生動地展現在我的眼前，把我的思緒一下子拉回到四十年前。當年我是那附近一個區鎮的帶帽小學的老師，我的學生和同事大多數是布依族。布依族學生都是班上的模範生，他們勤奮好學、講究衛生、遵紀守法，很少見他們之間有罵人打架的。班上成績最好的兩個學生都是布依族，女的文靜聰慧是學習委員，男的是數學科代表，眼清目秀長得有些像影視偶象佟大為，離開他們有許多年了，真心地希望這些生活在FAST周圍的人們幸福快樂。

布依族先民原是“百越”的一支，百越民族最先開創了水稻種植，為世界稻作文明作出了重要貢獻，享有“水稻民族”之稱。布依族在執著地維係中華民族優秀傳統文化的同時，又最善於學習和接受現代文明。把現代高科技項目建設在布依族群中間是最具匠心的設計，把現代科技和傳統文化放在一起營造出強烈視覺衝擊的同時，又展示了中國多民族團結一致共同走向現代化的和諧形象。

布依族的學生學習先進科技文化的熱情我最有深刻的體會。當年我在執教的學校創辦了一個勤工儉學的小工場，為周圍村民們修理半導體收音機和其它農業機電設備。記得那些圍在我身邊的學生，好奇地看著我打開收音機，用萬用表測試著複雜的電路，從這些布依族學生的明亮的眼神我清楚地感覺到他們對科技的崇敬和熱愛，在短短的一、二學期中我在他們中間竟然培養出了好幾名修理電器的初級技工。

估計平塘這座射電望遠鏡將於今年秋季建成。真希望金桂飄香時能重返我的第二故鄉，回到我當年的學生們中間，在晧月當空的夜晚同登綠樹滿坡的小山崗。我要把他們帶到平塘射電望遠鏡的邊上，向他們講授射電望遠鏡的基本原理和科學用途。他們聽著那曾經非常熟悉的帶著蘇州口音的貴州話，一定會像從前一樣高高興興地圍在我的身旁，像往年一樣提出各種各樣有趣的問題。麵對著獨步全球的五百米的巨型射電望遠鏡，他們一定會為國家在科學技術上的進步而自豪，肯定更為自己是中華民族大家庭中的一員而備感驕傲。如果我把BBC專題報導中最後一個問題告訴我的學生們，我相信他們的一致回答是：Yes,We will!

[1]BBC 專題報道全文：China's Science Revolution。該文結束語言簡意賅、發人省思，原文摘錄於下與諸位分享：

The country is clearly at a turning point.
The money has been invested, the scientists are returning, and huge experiments are about to be switched on. But there are still challenges to overcome regarding ethics, collaboration, openness and quality of research.
The world is now watching to see where this research revolution will go next - and whether China can complete its transformation into global science powerhouse.

[2]科學家們在美國的305米射電望遠鏡Arecibo上收獲了豐碩的科研成果，略舉數項於下：
In 1968, the discovery of the periodicity of the Crab Pulsar (33 milliseconds) by Lovelace and others provided the first solid evidence that neutron stars exist.
In 1974, Hulse and Taylor discovered the first binary pulsar PSR B1913+16,an accomplishment for which they later received the Nobel Prize in Physics.
In 1990, Polish astronomer Aleksander Wolszczan made the discovery of pulsar PSR B1257+12, which later led him to discover its three orbiting planets and possible comet. These were the first extrasolar planets discovered.

[3]