人類(lèi)從有文明開(kāi)始，就對自身和自身所處的環(huán)境充滿(mǎn)了好奇：我們所在的這個(gè)世界是何時(shí)開(kāi)始存在的？除了人類(lèi)是否還有外星生物存在……人類(lèi)對于宇宙的求索從沒(méi)停下腳步。
大自然賜予貴州獨特的喀斯特地貌，成了FAST最完美的“棲息”之所。2014年，中國大射電望遠鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)FAST)將在平塘大窩凼正式運行，這個(gè)口徑500米的“天眼”，將比當今世界上最大的射電望遠鏡接收面積增加兩倍多。它是接受外星人信息的“手機”，是研究神秘物質(zhì)的巨大“耳朵”，也是未來(lái)星際航行的“眼睛”，它將帶領(lǐng)我們追溯宇宙誕生之初，揭開(kāi)人類(lèi)從哪里來(lái)，又到哪里去……
本期解讀周刊帶您走進(jìn)“天眼”，一探FAST的傳奇故事。
世界第一的期待與挑戰
這個(gè)堪稱(chēng)天眼的大家伙建成后，將開(kāi)展一攬子的科學(xué)研究計劃：巡視宇宙中的中性氫以探索宇宙的起源及演化；進(jìn)行脈沖星觀(guān)測以研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結構和規律；主導國際甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量網(wǎng)以獲得天體超精細結構。
更多的天文迷們則希望，這個(gè)500米口徑的“天眼”建成后，能幫助人類(lèi)接收到某種來(lái)自“地外文明”的信號。但無(wú)論是哪個(gè)計劃，天眼的觀(guān)測目標都是瞄向目前天文學(xué)領(lǐng)域最難的謎題。
與天文愛(ài)好者關(guān)注的宇宙謎題不一樣的是，閑暇的時(shí)候，村民楊朝明會(huì )來(lái)到大窩凼的施工現場(chǎng)，在一旁靜靜觀(guān)看工程的進(jìn)度。他疑惑的是，這得造多大一口鍋，才能罩在他們昔日居住的天坑。
事實(shí)上，楊朝明的疑惑之初，正是天眼如何實(shí)現宇宙探索之前要解決的問(wèn)題。如何建設這個(gè)前所未有的龐然大物，缺乏可以參考對比的數據樣本，這本身也是一種挑戰。
按照當前的工程技術(shù)和材料科學(xué)，根本無(wú)法找出足夠強度的底座支架來(lái)承受大鍋的重量，因此只好固定在山窩上，這是選在喀斯特山洼地勢的優(yōu)勢；另一方面，大鍋上方懸吊的信號反饋設備就有30多噸重，其支撐柱所承受的壓力，同樣考驗相對復雜的地質(zhì)構造。
“FAST球面狀主動(dòng)反射面，是由4600塊單元組成的。”FAST項目辦副主任李奇生說(shuō)，盡管是固定在洼地上，但每一塊單元背后，都是由機器人掌控的繩索來(lái)調整方向，獲得高精度的定位，這些都是我國在世界上獨一無(wú)二的技術(shù)。
開(kāi)建“天眼”前的大窩凼?！ ≠Y料圖片
| FAST項目施工全景，遠遠望去是一個(gè)直徑超過(guò)500米的大坑。 |
憑借特有的喀斯特地理環(huán)境和無(wú)線(xiàn)電環(huán)境，貴州平塘縣一個(gè)名叫大窩凼的偏僻洼地，一夜之間成為國際天文學(xué)界的關(guān)注焦點(diǎn)：當今世界在建的 最 大 射 電 望 遠鏡——— 500米球面射電望遠鏡(FAST)將于2014年在這里橫空出世。
伴隨著(zhù)天量的數據傳輸，人類(lèi)對未知宇宙的探索將又添一把利器。也許在某一天，某個(gè)細微的信號將給科學(xué)家們帶去顛覆性的宇宙認知，它或許是宇宙誕生之初的信息，抑或是來(lái)自外星人的問(wèn)候……
1
山窩里建世界天眼
在大窩凼生活了64年的村民楊朝明，從沒(méi)想到自家有一天會(huì )搬遷，也從未預料到會(huì )和“FAST”這幾個(gè)陌生的字母發(fā)生聯(lián)系。
在貴州特有的喀斯特地貌中，隨處可見(jiàn)山窩和洼地。但大窩凼這個(gè)距離平塘縣城85公里的山洼地，卻是大得有些出奇：四面的小山圍出一個(gè)高近1000米、面積5萬(wàn)平方米的U形洼地。
和楊朝明一起世居這個(gè)山洼地的12戶(hù)村民，于是用“大窩凼”命名了這個(gè)自然村落。大窩凼幾乎阻斷了和外界的聯(lián)系，此前甚至不通公路。外界少有人來(lái)到這里，而村民們除了步行近10公里到克度鎮上買(mǎi)點(diǎn)日常生活用品，和外界幾乎沒(méi)有過(guò)多的聯(lián)系。
村民們世外桃源般的平靜日子，大約在10多年前被一群頻頻前來(lái)的不速之客打破。“看樣子應該是搞科學(xué)的。”楊朝明說(shuō)，這群山外來(lái)客拿著(zhù)村民們看不懂的奇怪儀器，東走走西看看擺弄一通就走了。
隨后的幾年，前來(lái)考察的人有增無(wú)減。讓村民們感到意外的是，不時(shí)有金發(fā)碧眼的外國人也來(lái)察看。
第一次看見(jiàn)外國人的村民開(kāi)始好奇地議論起來(lái)了，而經(jīng)常給這群外來(lái)客做向導的楊朝明，最先得知準確消息，這里要修建一個(gè)巨大的天文望遠鏡和天文臺。
事實(shí)上，直到2006年國家天文臺才最終選定大窩凼。2008年12月26日，國家重點(diǎn)科技項目———FAST，正式在貴州平塘縣克度鎮奠基開(kāi)工，整個(gè)工程將于2014年完工。
楊朝明家與其余11戶(hù)大窩凼農戶(hù)要搬離祖祖輩輩生活了近200年的故土?？硕孺傸h委書(shū)記冉崇永說(shuō)，政府將大窩凼移民新宅建在克度鎮上——— 清一色的二層“小洋樓”，同時(shí)根據每戶(hù)情況進(jìn)行相應資金補償。
不過(guò)在大窩凼的村民當中，大家都叫不慣FAST這個(gè)有些拗口的名字，而是給它取了一個(gè)頗為形象的名字：天眼。
與其世界之最的名聲相比，施工場(chǎng)面并沒(méi)有想象中的“熱火朝天”：幾臺挖機從“鍋上沿”向下，一直到“鍋底”，螺旋分布作業(yè)。被挖下的土石裝入一車(chē)車(chē)卡車(chē)運走，“鍋”的四周顯露出棕紅色的巖壁。
現場(chǎng)施工人員段建仁解釋這種“冷清”說(shuō)，“目前，場(chǎng)地上有140多人在施工，由于大窩凼呈‘鍋’狀，為保證安全，施工必須分段進(jìn)行，不能上下同時(shí)開(kāi)工。”
FAST項目現場(chǎng)辦副主任李奇生說(shuō)，這是一項十分浩大的工程，建設周期為5年半?，F在工程的配套工作，包括道路的修建、現場(chǎng)辦板房的搭建等已經(jīng)進(jìn)行完畢，項目基址正在有條不紊地進(jìn)行開(kāi)挖。
盡管現在還處在緊張的建設施工階段，但這并不妨礙大窩凼成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。每天前去的參觀(guān)者絡(luò )繹不絕，甚至是國際天文專(zhuān)家。“只要到了中國，他們大多會(huì )提出要求實(shí)地看一眼。”李奇生說(shuō)。
2
天眼巨陣的中國行動(dòng)
建造規模足夠龐大的信號極為靈敏的射電望遠鏡，這算得上是當今國際所有天文科學(xué)家們的一個(gè)共同愿望?？茖W(xué)家們探索宇宙的奧秘，一個(gè)重要的手段是采用射電望遠鏡來(lái)接收宇宙空間的無(wú)線(xiàn)電波。
按照現在的射電天文望遠鏡的設計，捕捉來(lái)自遙遠天體所發(fā)射出的無(wú)線(xiàn)電信號，首先要借助一個(gè)鍋型的表面進(jìn)行收集，然后反射到大鍋上方的副鏡中，最后，經(jīng)過(guò)副鏡二次反射后傳遞給中央接收器。
在同樣的技術(shù)條件下，反射鍋的面積越大，所獲得的信號理所當然就越多。隨著(zhù)天文學(xué)家對宇宙觀(guān)測的提高，人類(lèi)建造的望遠鏡也越來(lái)越大。從德國波恩能夠轉動(dòng)的100米望遠鏡，再到20世紀十大工程之手的美國300米望遠鏡，人類(lèi)不斷挑戰大口徑望遠鏡的工程極限。
直到1993年，在第24屆國際無(wú)線(xiàn)電科聯(lián)京都大會(huì )上，來(lái)自澳、加、中、法、德、印、荷、俄、英、美10國的天文學(xué)家們，聯(lián)合提出一個(gè)雄心勃勃的計劃：聯(lián)合建立數十個(gè)乃至上百個(gè)小口徑的射電望遠鏡群，然后把它們相互連接起來(lái)。接收無(wú)線(xiàn)電信號的總面積為1平方千米。這就是著(zhù)名的“一平方千米射電望遠鏡”(英文縮寫(xiě)為SKA)。
“如此大的規模，讓解決困惑天文學(xué)界的難題，又向前邁進(jìn)了一大步。”李奇生說(shuō)。這個(gè)由17個(gè)國家出資10億歐元的巨陣，將帶給天文學(xué)家更多意料之外的發(fā)現。
各國紛紛拋出自己的方案，都希望承擔這項21世紀的國際射電望遠鏡工程。而我國最初提交的方案是，建造30架300米口徑的射電望遠鏡陣列。
盡管中國最終從SKA項目選址上落選，但中國推進(jìn)FAST項目就更加迫切和需要。借助以其巨大的接收面積和地處所有網(wǎng)邊緣的地域優(yōu)勢，FAST在加入國際主導甚長(cháng)基線(xiàn)干涉(VLBI)測量網(wǎng)后，將使我國在這一領(lǐng)域國際合作中處于主導地位。而甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量具有極高的分辨率，可獲得天體的精細結構。
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平原與洼地之爭
與接收可見(jiàn)光的望遠鏡不同的是，射電望遠鏡的觀(guān)測幾乎不受任何天氣狀況和無(wú)線(xiàn)電環(huán)境污染的影響，從而實(shí)現24小時(shí)不間斷地接收數據。
但射電望遠鏡卻對周?chē)臒o(wú)線(xiàn)電環(huán)境有著(zhù)苛刻的要求，無(wú)論是廣播電臺、電話(huà)信號還是電視信號等無(wú)線(xiàn)電數據傳輸，都會(huì )對它的正常工作產(chǎn)生干擾現象，從而無(wú)法準確辨別出科學(xué)家們需要的射電信號。
日益惡化的無(wú)線(xiàn)電干擾環(huán)境，也讓來(lái)自各國的科學(xué)家們覺(jué)得必需趕緊行動(dòng)。“人類(lèi)的夢(mèng)想之一，就是在電波環(huán)境徹底破壞之前，真正看一眼初始宇宙，弄清宇宙結構是如何形成和演化的。只有大射電望遠鏡才能幫助人類(lèi)實(shí)現這一夢(mèng)想。”國家天文臺FAST工程總工程師兼首席科學(xué)家南仁東說(shuō)。
既要有較好的洼地形貌，可以穩穩地架住大射電望遠鏡巨大反射球面，又要有較好的電波環(huán)境，國家天文臺無(wú)論是SKA還是FAST的計劃，從一開(kāi)始就決定了要安放在貴州這片喀斯特地上。
1994年，中國天文界以北京天文臺為核心，組成了(SKA)中國推進(jìn)委員會(huì )，并把目光投向貴州山區的洼地。到了1997年，(SKA)中國推進(jìn)委員會(huì )提出了LT(SKA)中國工程概念先導單元，這是由我國獨立建造一面世界最大單口徑球面望遠鏡(即現在的FAST)的創(chuàng )新方案的初步設想。
與我國選在貴州洼地的計劃不同的是，爭取SKA項目強勁對手的南非、阿根廷和澳大利亞，則主張建立在平原地帶，通過(guò)更小口徑，但數量更為龐大的望遠鏡列陣。這就要求更寬廣的核心觀(guān)測區，要求達到3000公里以上，這對中國十分不利。
“實(shí)際上，我們當初的計劃是SKA與FAST在貴州的選址，都是在同步進(jìn)行準備當中。”作為FAST項目第二輪選址工作的負責人，貴州大學(xué)科技處副處長(cháng)、長(cháng)期致力于喀斯特地質(zhì)研究的宋建波教授說(shuō)：“中國以貴州南部平塘普定等縣的洼地臺址為核心，與另外三個(gè)國家參與SKA的激烈競爭”。
2005年12月，由宋建波和他的工作團隊，遞交一份厚厚的SKA在貴州的選址計劃。如果不出意外，在貴州的大射電望遠鏡將不是一個(gè)，而是三十個(gè)。遺憾的是，由于SKA選址委員會(huì )更傾向于大數量小口徑的方案，中國的方案雖然被淘汰，但在貴州建立FAST的計劃沒(méi)有因此而擱淺。
隨著(zhù)全球經(jīng)濟的發(fā)展，射電天文的電噪環(huán)境變得非常嚴峻，為了保護預選區的電噪環(huán)境，貴州省建立局域電波寧靜區，2000年1月和7月，預選洼地地區的觀(guān)測結果表明，電噪環(huán)境呈穩定趨勢。
而兩任美國Arecibo天文臺臺長(cháng)到貴州的預選區考察，認為預選區洼地作為巨型球面射電望遠鏡臺址是世界上獨一無(wú)二的。由此，貴州特殊的喀斯特地貌，成為完成人類(lèi)這個(gè)終極夢(mèng)想的理想地。
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尋找最完美洼地
2002年11月，貴州大學(xué)的宋建波教授受貴州科技廳、中國科學(xué)院國家天文臺聯(lián)合委托，開(kāi)始承擔國家重大科技基礎設施項目“大射電望遠鏡(FAST/SKA)”的貴州選址任務(wù)，開(kāi)始進(jìn)行FAST在貴州的第二輪臺址普查。
如何在貴州星羅密布的洼地中，找出FAST最完美的臺址，這個(gè)成為困擾科學(xué)家們10多年的難題，也直接關(guān)系到大射電望遠鏡能否成功建設的關(guān)鍵。
“從未想到此生有緣中途介入大射電望遠鏡選址這樣艱巨的科研工作，因為那是我一生都不敢想象、永遠有神秘感的天文學(xué)科領(lǐng)域。”宋建波說(shuō)。盡管對自己的專(zhuān)業(yè)研究水平十分自信，但這位當時(shí)30歲就破格評上教授的年輕學(xué)者正式接手這項任務(wù)時(shí)，除了激動(dòng)外更多的還是擔心做不好的忐忑不安。
根據所簽項目合同的內容，第二輪選址最初的工作重點(diǎn)是：在中國科學(xué)院遙感應用研究所已有選址工作的基礎上，開(kāi)展大射電望遠鏡(FAST/SKA)在貴州的第二輪臺址普查及相關(guān)環(huán)境研究，為世界上最大的射電望遠鏡(FAST/SKA)建在中國貴州提供候選臺址，并合理地規劃大射電望遠鏡陣的臺址布局。
其中最主要的一條就是將原有的平塘、普定兩個(gè)縣候選區擴大到全省，實(shí)現貴州境內大射電望遠鏡(FAST/SKA)臺址的全面普查，以避免遺漏最佳臺址。這意味著(zhù)，宋建波博士必須將視野放在全省范圍內，工作量陡然成倍增加。
宋建波說(shuō)，當初國家天文臺將項目的密級定為“秘密”，主要是出于兩個(gè)考慮：一是項目自身的保密性質(zhì)；二是為避免出現貴州省內各縣的臺址競爭。因此，他的做法是，到各縣考察洼地時(shí)不驚動(dòng)地方政府，收集到資料后馬上走人。
而這也意味著(zhù)不能得到地方政府的支持，哪怕是一些最基礎的數據，也需要獨自完成調查。
查閱了貴州全省8000多幅1：10000地形圖，宋建波和他的團隊，用了整整一個(gè)月的時(shí)間不停瘋跑，從符合條件的743個(gè)喀斯特洼地中，初選出82個(gè)集中分布于貴州黔南州、黔西南州、安順市的洼地。
“為了尋找到適合建設適宜作為大射電望遠鏡臺址的喀斯特洼地，差不多跑遍了全省每一個(gè)喀斯特洼地。3年下來(lái)，一直伴隨的長(cháng)城塞弗越野車(chē)已完全報廢了。”宋建波說(shuō)。
也正是在這個(gè)過(guò)程當中，平塘縣克度鎮大窩凼洼地再次進(jìn)入宋建波的考察視野。發(fā)現這個(gè)洼地又大又圓又深，從形態(tài)上符合FAST的幾何要求。但科學(xué)不能僅靠感覺(jué)，要由充分的科學(xué)依據作為支撐。
“這就像是一個(gè)層層選秀的過(guò)程。”宋建波說(shuō)，他和團隊做的就是一個(gè)評審的工作。但是越到后期，評審們的工作就越來(lái)越大，決定淘汰哪個(gè)選址也就越難，這需要收集更多的科學(xué)數據，進(jìn)行全方位的綜合比較。
經(jīng)過(guò)1000多天的野外考察和室內研究，這位年輕的博士帶領(lǐng)他的團隊，克服重重困難，圓滿(mǎn)完成了選址任務(wù)，為大射電望遠鏡(FAST/SKA)落戶(hù)貴州提出最優(yōu)的臺地建議方案：平塘縣的大窩凼。
這項任務(wù)完成后，中國探月工程首席科學(xué)家歐陽(yáng)自遠院士這樣高度評價(jià)：不僅解決了國家重大基礎設施建設必須解決的工程地質(zhì)難題，合理建議了FAST/SKA理想的臺址，在世界上首次系統提出了大射電望遠鏡選址的理論與方法。
數字“天眼”
身價(jià)6億多元
這個(gè)號稱(chēng)世界最大的單口射電望遠鏡，總投資6億多元，建成后將用于探索宇宙的終極奧秘。
塊頭30個(gè)足球場(chǎng)
作為國家科教領(lǐng)導小組審議確定的國家九大科技基礎設施之一，FAST完全由我國科學(xué)家自主研究?？趶竭_500米，全稱(chēng)為500米口徑球面射電望遠鏡(英文簡(jiǎn)稱(chēng)FAST)。它利用平塘縣內喀斯特洼地的獨特地形條件獨創(chuàng )的設計，建設一個(gè)擁有30個(gè)足球場(chǎng)大的巨型射電望遠鏡。
視力比波恩靈敏10倍
FAST與號稱(chēng)“地面最大的機器”的德國波恩100米望遠鏡相比，靈敏度提高約10倍；與被評為人類(lèi)20世紀十大工程之首的美國Arecibo 300米望遠鏡相比，其綜合性能提高約10倍。
眼界高阿雷西博1個(gè)數量級
與當今世界上最大的射電望遠鏡——— 阿雷西博射電望遠鏡相比，FAST的接收面積增加了2.35倍，可觀(guān)測天體數量將增加近一個(gè)數量級，這已是通常意義上的新一代望遠鏡，在天文學(xué)上的意義是巨大的。
地位未來(lái)30年世界一流
按照計劃，FAST研究涉及眾多高科技領(lǐng)域，如天線(xiàn)制造、高精度定位與測量、高品質(zhì)無(wú)線(xiàn)電接收機、傳感器網(wǎng)絡(luò )及智能信息處理、超寬帶信息傳輸、海量數據存儲與處理等。我國將形成具有國際先進(jìn)水平的觀(guān)測與研究平臺，并將在未來(lái)20～30年保持世界一流設備的地位。
伽利略用自制的望遠鏡發(fā)現了木星的衛星，大概可以算作可見(jiàn)光波段天文學(xué)的真正開(kāi)始。
當貴州平塘這個(gè)耗資6億多元的“天眼”建成后，將借助其高靈敏度、大天區覆蓋等優(yōu)勢，完成自己的終極使命，如果運氣足夠好，或許它將為我們解答地外文明、暗物質(zhì)等多個(gè)不解謎團。
1
尋找地外文明
地球之外的眾多星體中是否還有高等文明的存在？這不僅是大家想知道的，也是擺在科學(xué)家面前的一個(gè)重大課題。
那么探尋有無(wú)高等文明的存在靠什么？在宇宙中，天體之間的距離是非常遙遠的，人馬座的比鄰星是除太陽(yáng)外離地球最近的一顆恒星，距離地球4.27光年。“光速每秒30萬(wàn)公里，光走要走4年多，要么就是我們人類(lèi)能長(cháng)生不老，要不就是科技超速發(fā)達，能直接把探測器送到星球上去探索它們。但這兩條對于當下來(lái)說(shuō)都是難以想象的。”FAST項目辦副主任李奇生說(shuō)。
“打個(gè)簡(jiǎn)單的比喻，如果沒(méi)有射電望遠鏡，外星人如果給我們打電話(huà)過(guò)來(lái)，我們就沒(méi)接收器，接不到了！”李奇生說(shuō)，科學(xué)家們堅信，如果宇宙真有高度智慧的外星人，它們也一定會(huì )像我們一樣，四處尋找并發(fā)射電波信號。
另一方面，由于星球間的距離太遠，電磁波信息會(huì )混雜在宇宙空間的各種輻射波中，以至于到達地球以后都將非常的弱(除非信號是定向發(fā)送給地球的)，微弱的信號可能如同夾雜在雷聲中的蟬鳴，如果接收設備不先進(jìn)的話(huà)，很容易遺漏或難以分辨。
所以，天文學(xué)家需要一個(gè)巨大的“耳朵”，這就是FAST即大射電望遠鏡，它可以收集極其遙遠的物體資料。為尋找地外文明提供巨大的機遇，成為搜尋地外文明最有效的利器。
盡管要在宇宙間找到地外生物的信息，要比在海洋中找到一顆芝麻粒的概率要小得多，但假如足夠幸運，在貴州平塘這個(gè)偏遠的小山洼里，則有望聽(tīng)到來(lái)自外星人的第一聲問(wèn)候。
FAST項目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院國家天文臺研究員南仁東曾在《中國科學(xué)G輯》雜志上撰文說(shuō)：“SETI(尋找地外文明)的學(xué)科風(fēng)險是不言而喻的，但它一旦成功，將使人類(lèi)所有的科學(xué)成就黯然失色……巨大的FAST也許會(huì )給我們巨大的機遇”。
“不過(guò)，對于地外文明的探索，即便是FAST也只能起到通過(guò)接收遙遠天體的信息，來(lái)推測‘外星人‘的存在，真正要證實(shí)其存在，還需要科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。”李奇生說(shuō)。
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研究“黑暗雙塔”
在科幻作品中，經(jīng)?？梢钥吹桨滴镔|(zhì)這個(gè)詞。盡管如此，暗物質(zhì)卻絕非出自某位科學(xué)幻想大師之手，而是有著(zhù)確鑿的根據。它是1934年瑞士天文學(xué)家弗里茲·茲威基在研究星系團中星系的軌道速度時(shí)，為了解決“缺失的物質(zhì)”問(wèn)題而提出的概念。
2008年，“哈勃”太空望遠鏡在一個(gè)遙遠星系周?chē)挠撵`狀光環(huán)中發(fā)現了暗物質(zhì)存在的非直接證據。這種神秘光環(huán)被認為就是當恒星的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)暗物質(zhì)時(shí)被彎曲所形成的。
說(shuō)到暗物質(zhì)，這里不得不提到它的“近親”——— 暗能量。
1997年12月，作為“大紅移超新星搜索小組”成員的哈佛大學(xué)天文學(xué)家羅伯特·基爾希納根據超新星的變化顯示，宇宙膨脹速度非但沒(méi)有在自身重力下變慢反而在一種看不見(jiàn)的、無(wú)人能解釋的、神秘力量的控制、推動(dòng)下變快?？茖W(xué)家將其具備的作用稱(chēng)之為“暗能量”。
有科學(xué)家作了這樣一個(gè)形象的比喻：假如全宇宙的物質(zhì)猶如一個(gè)金字塔，我們可見(jiàn)的物質(zhì)只是塔尖上的一點(diǎn)點(diǎn)，塔中間23%的部分是暗物質(zhì)，塔下那個(gè)龐大的基礎就是占73%的暗能量。
“但這些發(fā)現并不是科學(xué)家們通過(guò)各種望遠鏡‘看見(jiàn)’了暗物質(zhì)和暗能量，而完全是通過(guò)看不見(jiàn)的暗物質(zhì)和暗能量對可見(jiàn)物質(zhì)施加的引力影響間接地‘計算’出了關(guān)于暗物質(zhì)和暗能量的信息。”李奇生說(shuō)。
這些計算所需的數據，其中一個(gè)最大的來(lái)源就是射電望遠鏡“聽(tīng)”出來(lái)的。
FAST的重要功能之一，就是要用自己巨大的“耳朵”去探尋暗物質(zhì)和暗能量這兩個(gè)宇宙中最神秘物質(zhì)和能量的蹤跡。
“FAST通過(guò)觀(guān)測中性氫21厘米譜線(xiàn)，可以繪制出宇宙結構，從而經(jīng)過(guò)一定測算，來(lái)推算、研究暗物質(zhì)、暗能量的存在。”FAST項目現場(chǎng)辦副主任李奇生說(shuō)。
作為“光明”的反義詞，“黑暗”一向不會(huì )給人帶來(lái)愉快的聯(lián)想，但恐怕“黑暗雙塔”——— 暗物質(zhì)和暗能量要顛覆這一思維定勢了。
暗物質(zhì)和暗能量這兩種假想概念，支撐著(zhù)人們在21世紀建立起來(lái)的眾多理論———宇宙膨脹、宇宙輻射等。如果這兩種假想被證實(shí)或是被否定，都將對物理學(xué)的未來(lái)產(chǎn)生深遠影響。因此，“FAST的重要性不言而喻。”李奇生說(shuō)。
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星際航行導航
借助在上世紀后期陸續建立的全球衛星定位系統(GPS)，人類(lèi)實(shí)現了全天候實(shí)時(shí)的三維導航定位和測速；進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和高精度的精密定位。
“如果將來(lái)有一天人類(lèi)智慧高度發(fā)達，能制造出光速航天器，走出外太空實(shí)現星際航行時(shí)，在茫茫宇宙中如何準確定位找到歸途？”李奇聲說(shuō)，現有的GPS僅僅在地球范圍內有效，這就需要在宇宙中找到一雙特別的“眼睛”。
盡管以人類(lèi)目前的航天速度，實(shí)現星際航行的希望很渺茫，但天文學(xué)家們卻已經(jīng)未雨綢繆，考慮未來(lái)航天器的導航問(wèn)題。提出解決方案的原理和GPS一樣，只要能在宇宙中找到3顆位置相對恒定的天體，就可以實(shí)現精準定位。
這個(gè)天才的構想，在1967年有了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。英國科學(xué)家休伊什發(fā)現了首顆射電脈沖星，也發(fā)現它所具有的導航潛能。
科學(xué)家們看到的是脈沖星的一個(gè)共同特點(diǎn)，其高速自轉周期范圍從幾毫秒到10余秒不等，周期穩定性極好。
如果航天器上的探測設備能接收到脈沖星兩個(gè)磁極精準發(fā)射的輻射波束，理論上同樣需要找到3顆以上的脈沖星，就可以為星際航行指引方向。
但這個(gè)堪稱(chēng)完美的星際導航系統，需要解決兩個(gè)問(wèn)題。一是要測定用于定位的脈沖星星座，尋找適合用來(lái)定位的射電脈沖星，目前已找到十多顆。探測它們的物理特征，在太陽(yáng)系質(zhì)心坐標系中的坐標，設計相應的計時(shí)模型和測算模型，編制射電脈沖星定位星座目錄。
另外則是要制造高水平射線(xiàn)探測器。射線(xiàn)探測器由射線(xiàn)成像儀和光子計數器組成，用于探測和接收來(lái)自射電脈沖星的信號。由于射電脈沖星的脈沖信號非常微弱，需要極高靈敏度、極快的響應時(shí)間。
要解決這兩個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們需要足夠靈敏和足夠大的射電望遠鏡，來(lái)搜尋這些稍縱即逝的信號。
GPS的信號極易受到人為干擾而出現誤導，而脈沖星可以填補GPS的這個(gè)“死穴”。在未來(lái)太空戰爭中，太空兵器依托射電脈沖星定位系統獲得自主導航能力的前景十分廣闊，具有較強的國防安全戰略意義。
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追溯宇宙第一聲“啼哭”
當今天文界比較一致的觀(guān)點(diǎn)認為，我們所觀(guān)察到的宇宙形成于一次爆炸。宇宙從一個(gè)無(wú)限小的奇點(diǎn)開(kāi)始，迅速爆炸膨脹，并且至今仍在以驚人的速度膨脹。
“在天文學(xué)領(lǐng)域，有這樣一個(gè)說(shuō)法，那就是‘有總比沒(méi)有好’。”李奇聲說(shuō)，限于我們目前的觀(guān)測技術(shù)和能力，我們很多天文觀(guān)測數據，只能給出一個(gè)相對模糊的數值，隨著(zhù)探索的深入和技術(shù)的改進(jìn)，然后再不斷進(jìn)行修正，從而逐漸逼向真值。
無(wú)論科學(xué)家們怎樣努力，宇宙的遼闊亙古，讓科學(xué)家很難將觀(guān)測延伸至久遠的宇宙誕生之初。宇宙從誕生之初到此后一百億年的時(shí)間段內，人類(lèi)都無(wú)法觸及這期間所發(fā)生的開(kāi)天辟地的場(chǎng)景，更不用提爆炸之初最為重要的60秒所發(fā)生的劇變。
科學(xué)家們正在為此頭疼不已的時(shí)候，一個(gè)理論讓大家眼前一亮，那就是引力波。根據愛(ài)因斯坦的理論，大爆炸之初產(chǎn)生了大量的引力波，有些直到現在還漫布在宇宙中。
這種隱藏在時(shí)空深處的背景波的波長(cháng)，將由年輕的宇宙結構所決定。因此引力波有宇宙誕生之初第一聲“啼哭”的說(shuō)法。對引力波進(jìn)行觀(guān)測，對更好地理解宇宙誕生和時(shí)空本質(zhì)十分關(guān)鍵，也是復原宇宙之初惟一的途徑。
“引力波是物體加速運動(dòng)時(shí)給宇宙時(shí)空所造成的擾動(dòng)。”李奇聲說(shuō)，打個(gè)比方，當物體從水中滑過(guò)就會(huì )產(chǎn)生水波。不過(guò)直到現在，人們也沒(méi)有找到引力波存在的現實(shí)證據。
“當前惟一的方法，就是努力提升我們的望遠鏡，建得越大，就越能捕捉到引力波的存在。”作為當今世界上單個(gè)最大的射電望遠鏡，FAST項目建成后，也將參與引力波探測。
也許在不久的將來(lái)，從位于貴州平塘縣的這個(gè)大“耳朵”接收到的信息，通過(guò)不斷的累積和計算，會(huì )為我們復原出一個(gè)真實(shí)的盤(pán)古開(kāi)天辟地的全景現場(chǎng)。
建設大射電望遠鏡，從最初作為一個(gè)“科學(xué)夢(mèng)想”提出，到立項、進(jìn)行可行性研究、進(jìn)入實(shí)質(zhì)性施工階段，歷時(shí)18年。FAST這只巨大的“天眼”有著(zhù)怎樣的“前世今生”？就此，本報專(zhuān)訪(fǎng)了中國科學(xué)院國家天文臺FAST工程總工程師兼首席科學(xué)家南仁東，國際SKA合作項目中國代表、中國科學(xué)院國家天文臺研究員彭勃。
南仁東：科學(xué)不能一步登天
《貴州都市報》：從首次提出建造FAST，到真正進(jìn)入實(shí)質(zhì)性施工階段，FAST耗時(shí)十余年。FAST對于我國天文事業(yè)發(fā)展有怎樣的意義？
南仁東：近40年中，獲諾貝爾物理學(xué)獎的10項涉及天文學(xué)的項目中，就有6項直接或主要通過(guò)射電天文手段取得。射電天文學(xué)在誕生至今的70多年里，已成為重大天文發(fā)現的發(fā)祥地和天文諾貝爾獎的搖籃。
有好的望遠鏡，我們就能看得更遠，我們就能觀(guān)測到更暗弱的天體，能覆蓋的宇宙的體積更大，體積大了里面觀(guān)測到的天體就越多，可能發(fā)現的新現象和新天體的機會(huì )就更多。
說(shuō)得更直接一些，FAST項目將會(huì )給我們的下一代天文學(xué)工作者留下一個(gè)很好的設備，使他們有更多的發(fā)現和發(fā)明的機會(huì )。
《貴州都市報》：目前，我國天文事業(yè)整體水平在國際上處于怎樣的位置？
南仁東：中國原創(chuàng )性的科技比較少。具體到天文學(xué)來(lái)說(shuō)，雖然近年來(lái)國家對天文學(xué)的投入比較大了，但總體來(lái)說(shuō)我們還是一個(gè)發(fā)展中的水平，和國際上先進(jìn)國家的研究水平比較起來(lái)差距還是比較大的。
天文事業(yè)的發(fā)展不是一天兩天的事情，中國從一個(gè)以往積貧積弱的國家建設到今天不是一步到位的，我們沒(méi)有國外那么好的科學(xué)傳統，怎么能指望一步登天，科學(xué)的進(jìn)步不是錢(qián)能買(mǎi)來(lái)的，是一種文化，是需要幾代人不斷的努力才能完成的，我個(gè)人從不講第一，我們應該看到的是我們離第一有多遠。
《貴州都市報》：FAST可否看做是向“第一”邁進(jìn)的一種努力？
南仁東：可以這么說(shuō)，但是其真正的功用、價(jià)值、對于我國天文水平的提升等，還要等到建成投入使用后，用事實(shí)來(lái)說(shuō)話(huà)。
彭勃：SKA項目中國沒(méi)有出局
《貴州都市報》：SKA的建造有怎樣的意義，為什么會(huì )引得國際上眾多國家競爭？
彭勃：SKA被稱(chēng)為“人類(lèi)有史以來(lái)最大的天文學(xué)項目”。射電望遠鏡的主要性能指標有兩個(gè)：靈敏度和分辨率。建成后的SKA將是這兩項指標的完美結合。
SKA能夠幫助科學(xué)家回答一些有關(guān)宇宙重大問(wèn)題的答案，比如暗物質(zhì)和暗能量，宇宙第一批恒星和星系是如何形成的，又如何演化的，宇宙中磁場(chǎng)的作用，引力的本質(zhì)以及尋求在地球以外的智慧生命等。
參與建造SKA將能夠第一時(shí)間獲得其觀(guān)測數據資料，這對于建設國開(kāi)展天文研究提供重大發(fā)現機遇。此外，SKA的設計、建造和投入使用都可能對整個(gè)科學(xué)界、工程界以及關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新產(chǎn)生重大影響，這種影響力不僅僅是對建造國，而且波及到該項目的所有合作國家。
《貴州都市報》：有報道稱(chēng)，現在SKA的選址已經(jīng)初步確定了南非和澳大利亞，這是否意味著(zhù)在SKA項目的建設上，中國已經(jīng)出局？
彭勃：這種說(shuō)法不準確。2006年，在劍橋大學(xué)進(jìn)行了SKA選址的學(xué)術(shù)評估。當時(shí)SKA已經(jīng)由早期的300公里布陣變成了一個(gè)3000公里以上的布陣，這就意味著(zhù)我國要在全國的范圍內建造射電望遠鏡陣列。射電望遠鏡的建造很重要的一個(gè)臺址條件就是寧靜的無(wú)線(xiàn)電環(huán)境，相當于在望遠鏡周?chē)蠓秶鷥炔荒苡袩o(wú)線(xiàn)電干擾(如手機信號)，而對于擁有13億人口的中國來(lái)說(shuō)，要保證這樣大范圍的無(wú)線(xiàn)電環(huán)境達到SKA建造要求，是不現實(shí)的。所以當時(shí)SKA的選址上，中國就相當于落選了。
但這并不等于FAST從此就與SKA沒(méi)有任何聯(lián)系了，也不能說(shuō)中國在SKA的建設中出局。SKA的布陣變成3000公里以上之后，作為SKA的一個(gè)邊緣但威力巨大的觀(guān)測站，FAST還可與其進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。
3項獨創(chuàng )技術(shù)奠定FAST地位
《貴州都市報》：FAST有哪些我國自主的技術(shù)創(chuàng )新？
南仁東：從大的方面來(lái)講，FAST的自主創(chuàng )新主要有，一是用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺址；二是洼坑內創(chuàng )造性的鋪設4600塊單元組成500米球冠狀主動(dòng)反射面；三是將首次采用輕型索拖動(dòng)機構和并聯(lián)機器人，實(shí)現望遠鏡接收機的高精度定位。在工程技術(shù)方面，FAST不僅繼承了目前所有可能的先進(jìn)技術(shù)思想，而且提出了創(chuàng )新性的主動(dòng)反射面及光電一體化饋源支撐方案，其接收面積大大提高，還有，如它對饋源及其支撐系統的簡(jiǎn)化，使FAST對天體和航天器的跟蹤范圍得到大大的擴充等等。
FAST是貴州的一個(gè)有利機會(huì )
《貴州都市報》：據報道，美國艾倫望遠鏡前一段時(shí)間因為經(jīng)費問(wèn)題而進(jìn)入休眠狀態(tài)，FAST建成后會(huì )不會(huì )也遇到這樣的困難？
南仁東：FAST項目主要是國家撥款。FAST項目不像三峽水電站那么“有用”，因為技術(shù)研究是不直接和國計民生掛鉤，國家要是不全額撥款是不可能建設的，這個(gè)不用擔心。美國艾倫望遠鏡是“私營(yíng)”的，我們的FAST項目是“國營(yíng)”的。兩則在體制機制上不具可比性。
《貴州都市報》：FAST項目能給貴州帶來(lái)什么“福利”呢？
南仁東：目前，我國只有四個(gè)大學(xué)設有天文系，南大、北師大、北大、中國科技大學(xué)，現在也有一些學(xué)校開(kāi)始有一些關(guān)于天文學(xué)的選修課和天文學(xué)研究小組，隨著(zhù)國家經(jīng)濟的發(fā)展，我們國家的天文學(xué)教育的規模在不斷的擴大，但我個(gè)人覺(jué)得是有限的，我們還到不了像美國那樣，每年有一百萬(wàn)年輕人接受天文學(xué)教育，因為群眾的普及教育的底子太薄，天文學(xué)事業(yè)的“金字塔”是很難搭建的，天文學(xué)科普是很關(guān)鍵的，這需要群眾從小就親近天文學(xué)。這也需要很專(zhuān)業(yè)的科學(xué)家，從一定程度來(lái)說(shuō)，科普比搞科研還難，因為科普需要厚積薄發(fā)，科普可以不精確但必須正確，必須讓別人明白，需要深入淺出。
當然，雖然說(shuō)沒(méi)有天文學(xué)大家都能生活，但我覺(jué)得人類(lèi)的生活水平、發(fā)展水平和可持續性與天文都有很密切的關(guān)系。
FAST項目在貴州建設對于貴州來(lái)說(shuō)是一個(gè)很有利的機會(huì )，我們國家僅有的4個(gè)天文系都在東南，現在在西南有一個(gè)天文研究中心，這對于帶動(dòng)一方的社會(huì )發(fā)展和社會(huì )進(jìn)步是有益處的，對于貴州的科普和下一代教育都有一定的幫助。
FAST的世界地位不容小覷
《貴州都市報》：如果只是成為SKA的一個(gè)邊緣觀(guān)測點(diǎn)的話(huà)，FAST的建造意義會(huì )不會(huì )大打折扣？
彭勃：不是的。FAST從最初提出，到進(jìn)入實(shí)質(zhì)性建設階段，經(jīng)歷了十多年。FAST擁有獨立于SKA存在的意義，也就是說(shuō)，現在我們的FAST不為SKA而建。我們知道，在二十世紀人類(lèi)十大科技工程中，美國的305米口徑的阿雷西博射電望遠鏡位居第一?？梢韵胍?jiàn)500米口徑的FAST建成后在二十一世紀是一個(gè)什么樣的角色。
《貴州都市報》：在SKA項目建設中，除了以上您說(shuō)的成為SKA的一個(gè)邊緣觀(guān)測站之外，中國還有哪些方面的參與？
彭勃：中國的天線(xiàn)技術(shù)和天線(xiàn)制造工藝在SKA界有較高顯示度?，F在SKA候選臺址之一的澳大利亞，其在建的SKA“探路者”ASKAP項目的天線(xiàn)承建方就是我們國家電子科技集團公司第54研究所。
今年4月，包括中國在內的9個(gè)國家在羅馬成立了SKA創(chuàng )建董事會(huì )，這意味著(zhù)我國將繼續參與SKA，并對其提供技術(shù)甚至資金支持。
后記
“天眼”給平塘當地人們帶來(lái)的變化顯得越來(lái)越大。
一直在當地工作的冉崇永，正好是在1個(gè)月前調至克度鎮任一把手。上任后的前三把火，都是圍繞FAST項目。從適配的基礎設施到解決就業(yè)，從發(fā)展旅游到農特產(chǎn)品的種植，核心依然是FAST。
“克度從傳統的農業(yè)鄉鎮向天文科普基地觀(guān)光城市的意識轉變，無(wú)論是干部和百姓，一下扭轉過(guò)來(lái)還有點(diǎn)難。”冉崇永說(shuō)。
如今，這個(gè)原本2.5萬(wàn)人口的傳統農業(yè)鄉鎮正在悄然間發(fā)生變化?？硕孺傸h委書(shū)記冉崇永說(shuō)，距離不遠處的杭龍村，一個(gè)規模達20萬(wàn)人口的現代科學(xué)城正在規劃之中。
記者發(fā)現，在得知FAST項目選址為平塘后，本地官網(wǎng)也在悄然間改為“金盆網(wǎng)”。平塘人希望，憑借大窩凼這張世界級的名片，至少在旅游方面的收入會(huì )有新表現。
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