Скачать или смотреть 453｜李菂｜科学家们搬砖、造树、熔接…实现了世界上第一个独特的巡天模式｜中国科学院国家天文台｜格致SELF

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李菂：科學家們搬磚、造樹、熔接…實現了世界上第一個獨特的巡天模式

中国天眼FAST建成三年了，每次看到这口美丽的大锅，就忍不住琢磨，它到底能探测到什么信息，外星人信号，暗物质？这个问题，FAST首席科学家李菂老师给出了全新的答案。

演讲者：李菂 中国科学院国家天文台研究员、FAST首席科学家
演讲时间：2022年2月26日 格致论道第77期基础科学专场“创新之刃”

天眼这一工程在中国具有历史性意义，它见证了中国经济的发展与科学的追赶和进步。

我们是这个工程的受益者、参与者，也很荣幸是它的建设者。

作为天文学家，我非常幸运。如今中国在无线电波段拥有了世界上最先进的设备——“天眼”。

天眼其实是一个直径500米的金属面板。如果我们往里面灌满水，那么全世界的人至少都能分到两瓶。但是它装不了这么多水，因为它有很多0.5厘米左右的小孔洞，这占到了它50%的面积，所以水是可以漏下去的。

我们可以看到上图中有一道发光的螺旋线，这其实就是一辆卡车从这个巨大的金属结构底下开过去，然后光从孔洞中漏出来的结果。

由于无线电的波长非常长，我们观测的波长是20厘米，远远大于孔洞，所以天眼依然是一个非常高效的反射面。

这是位于贵州绵延的群山内的、漂亮的中国天眼的模样。2020年初，天眼才通过国家验收，正式成为国家大科学装置。2021年，它第一次向国际开放。在不到两年的时间里，利用天眼获取的数据，催生了超过100篇国际论文，包括5篇《自然》、1篇《科学》、1篇《自然·天文》等。所以它是一个非常高效、前沿的科学设备。

上世纪的科学工程奇迹如何诞生

天眼与位于波多黎各岛的上一代巨大射电望远镜阿雷西博非常相似，后者也是处在喀斯特岩溶地形中的设备。

阿雷西博是1963年建成的，直到当地时间2020年12月1日倒塌之前，它完成了很多载入教科书、载入史册的工作。它测量了水星的自转，改变了天文学和物理学150多年以来的错误概念；它发现了第一例太阳系以外的行星；还发现了第一例两个中子星相互绕转的案例，由此证明了引力波的存在，并于1993年获得了诺贝尔物理学奖。

这是一个所有天文学者都非常熟悉，且被很多人使用过的先进设备。它是在1958年美国康乃尔大学电子系的一次学术报告中，由威廉·戈登（William E.Gordon）教授提出来的。我在康奈尔读研究生时，还在波多黎各观测台站的台址见过他。

戈登教授研究的是电离层的雷达回波。这个信号非常微弱，所以他提出需要300米口径的望远镜才能探测到。戈登教授的同行检查完这个提案后指出：你的研究实际上只需要用30米的望远镜就可以做到。后来，戈登教授正式向专门资助大型而又超前的、带有风险性项目的基金会——美国先进研究项目委员会（ARPA）提出了自己的项目。

戈登教授是一个非常诚恳、踏实的人，他把这两种有争议的概念都呈现了出来，而基金会则选择了前一种概念，即支持建超大型望远镜。这种情况就类似于当你要创业时对投资人说：你给我一个亿，我能实现一个小目标。而投资人却说：我给你十个亿，你去做那个宏大的事情吧。每次回想起这段历史，我都非常震惊。

为了更好地理解这件事情，我们需要回到上世纪50年代末美苏冷战的历史大环境内。在苏联成功发射了人类历史上第一颗人造卫星后，美国一直在追赶。1957年，美国海军进行了首次卫星实验，该卫星直接在发射台上爆炸。在电视转播后，当天的股票市场立刻就崩溃了。

同时，美国陆军与加州理工学院有长期的合作，他们成功发射了美国第一颗人造卫星，跟上了空间竞赛的步伐。加州理工学院这个喷气推进实验室是钱学森先生创立的，他后来也成为了中国的导弹之父。

在卫星发射成功的第二年，美国才成立国家航天局。它产生的直接的效果是，原来管理空间项目的美国先进研究项目委员会，决定把它的经费用来资助在地面上的，带有前瞻性的、甚至是有一点点疯狂的大型项目。它资助的第一个项目就是阿雷西博望远镜。

在那个历史条件下，大科学实际上反映了冷战长期战略的一部分。当时有一个很著名的文档——乔治·凯南在其长电报中指出，如果要进行意识形态对抗，开展经济、科技、航天的全面竞赛，就“必须规划和展现一个远比过去更为正面和有建设性的世界蓝图。”大科学装置也正是这种世界蓝图的一部分。

天眼提出与建设之路

1996年，即阿雷西博望远镜获得诺贝尔奖后的第3年，国家天文台老一辈的射电天文学家南仁东先生和邱育海先生第一次前往阿雷西博观测站进行现场考察。

他们在阿雷西博这个概念的基础上，结合当时可预期的现代技术发展前景以及中国在工程方面的长处和短处，形成了“天眼”这个概念，并于2007年底由发改委批复立项。

我从2008年开始参与编制项目建议书，并且有幸在2012年全职回到科学院参与建设这个项目。2015年南仁东先生不幸确诊了肺癌，我也因此做了3年工程的工作。

工程师的工作，和我日常的天文测学者的工作是非常不同的，需要搬砖、种树、熔接光纤……我在工程现场待的时间比较短，而我们主要的工程团队在六年多的时间里都住在板房，里面没有室内热水和独立的卫生间。即便是在这种情况下，大家也保持着非常好的精神状态。

经过艰苦卓绝的努力，我们在2016年9月19日、即在竣工典礼的前几天获得“第一缕光”，或者叫“初光”（First Light）。

这个工程背后有很多有意思的事，我们也在工作的过程中慢慢学习。比如工程现场有很多马蜂，我们都被蜇过不止一次，所以到了2016年，我在防护方面已经有了不少心得。右边那张照片中的我没有被马蜂蜇，而是撞到了一个装得比较矮的灯。

这是天眼实际运行时的展示图，它是几代人的努力的结果。天眼与阿雷西博望远镜相比的进步之处或者说不同之处是，它不仅更大，而且不只有一面。它是把一个直径500米的球冠的一部分，分割成4500面反射单元；通过实时调节这些反射单元，把它们从球冠的一部分变成一个抛物面。

我们在中学物理里学过抛物面。平行光照进来的时候可以实现点聚焦，同时，因为你要看天空中的不同方向，为了点聚焦，你这个焦点就必须可以飞。

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