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马平:用21世纪的方式,去看21世纪的奇迹

2017-08-22 06:59:42

【文/观察者网专栏作者 马平】

按照活动安排,我7月30日从贵阳出发,去看一口500米口径的“锅”——世界最大的射电天文望远镜。虽然我是一个天文外行,虽然望远镜还没有启用,虽然只能在外围的观景台上俯瞰“天眼”,我还是抱着“朝圣”的心态向望远镜前进,来怀念我童年的一段记忆:

80年代中期,刚刚拥有阅读能力的我得到了一本科普书:《通向宇宙的新窗口》

(原书压在地下室里,图片来自孔夫子旧书网)

虽然时至今日我也不知道作者何一平的真实身份,但我不得不感叹一句写得好。全书从太阳对雷达的干扰写起,对射电天文学娓娓道来,一直讲到最新(当时)的成果和发展预期。读何先生的文字,让你感觉自己并不是一个正襟危坐听报告的学生,而是与作者同车出行的老友,听他一路介绍沿途景色,在亲切而平等的对话中增加见闻。从此我就知道人眼能看到的星空并不是宇宙的全部,知道人类为了超越可见光谱,建造了几百台没有透明镜片的巨型射电望远镜,知道美国科研机构已经在波多黎各建设几百米的射电“大锅”,知道我国规划中的望远镜也只有几十米口径……30年后的今天,不用出国,就能看到无可争议的世界第一射电望远镜,虽然自己不是天文工作者,也会对童年的记忆感慨万千。

从贵阳到望远镜所在的平塘县,汽车要开两三个小时——恰好赶上建军90周年大阅兵。如此精彩的直播,看不到实在可惜。同车的朋友忽然想到,比亚迪的车配了4g网卡,还有车载电脑的大屏幕,不如一试。

打开车载电脑,是安卓系统,临时下载了一个央视的app,打开直播……惊喜扑面而来!

有直播可看,我放弃了试驾的想法,安心看沙场阅兵。否则的话,看着微信群里惊呼不断,看着别人赞叹新装备,就算是朝圣之旅,也不会安心享受旅行的。坐了几十年的车,在车里看直播(大屏),这还是头一次。

到了景区,换乘旅游区的内部车辆,手机和照相机就必须交出来了,因为望远镜虽大,探测的信号却十分微弱。之前有人指出,全世界射电望远镜工作几十年,接受的全部信号都不如几个雨滴落地能量强,融化不了一片雪花。现在平塘“大锅”投入使用,就算能在总接受能量上加一两个雨滴,也经不起现代无线电的“污染”。所以,我理解景区的安排,只是遗憾不能和大锅来一张自拍合影。

再往里走,就要加几句吐槽了。射电望远镜算得上世界级的科学工程,借旅游开发的机会,本应建设一个世界级的科普基地,但就目前的布置来看,这个“科”字很值得怀疑。在通往观景台的路上,每个休息平台中间都竖了一根巨大的浮雕柱,上面刻着星座图样和……星座运程。上下通道各六个,正好是12黄道星座算命法。在距离“天眼”几百米的地方看到这个布置,我无言以对。

当然,络绎不绝的游客,很多也不介意这一点,因为从他们的交谈中可以听到,他们在盛夏带孩子来此,就是要“开天眼”,改运程,提高成绩的。星座运程什么的可能正合他们的心意。走到山下的旅游服务部,除了一两个望远镜模型之外,其他的纪念品和天文、科普没有任何关联。无论有意无意,景区似乎也在很大程度上利用了“开天眼”的口彩来宣传自己。至于当地旅游局拿出来和“天眼”并称的“天坑”与……“天书”,更是难以直视。大家可以自己去查查。中国的科普工作和旅游业的发展还是任重道远啊。

(近景为建设中的观景台,现已建成)

抛开这些不快,天眼本身还是非常壮观的。观景台距离望远镜只有一二百米,500米直径的视觉冲击,加上直指苍穹之外的意向,即便只看一眼,也足以让我感慨“不虚此行”。

虽然在贵州平塘选址,很重要的一点是看上了底部近乎球面的凹地,但“大锅”并不是紧密固定在地面上的,而是由4000多块正三角型活动反射板拼合而成。三角形每个顶点上都有一个“下拉索促动器”即计算机统一控制每个顶点和地面之间的距离,可以在百分之一秒内做出变化。从示意图上可以看到,每个三角形有3个顶点,而每6个顶点共享一个促动器,所以一共有2000多个促动器,控制着整个曲面随时变化。

(三角形反射板,薄到几乎透明)

(安装在三角形反射板顶点的促动器)

为何要让曲面不断变化呢?


我们可以看一下被“天眼”超越的前任射电望远镜冠军——波多黎各阿雷西博望远镜。阿雷西博望远镜也同样建在一块凹地上,底部修成了标准球形。众所周知,球形反射镜会把平行信号反射到一条线上,而抛物面会把平行信号反射到一个点上。从遥远天体射来的信号,可以视为平行信号,理论上说反射到一个点要比反射到一条线有利得多,更方便收集信号,阿雷西博望远镜却恰恰选择了球面反射方式,这是因为人类无法控制地球的运动。

(抛物面反射把主轴方向的平行信号汇聚到焦点,球面反射把任意方向的平行光汇聚于一条线)

射电望远镜要随着地球的运动而运动,所以,如果射电望远镜的位置不调整,指向也会在天空中画出一条曲线,没法精确瞄准一个物体,或者说任何目标都会在望远镜的视野中一掠而过,没法连续观测。所以早期的射电望远镜都是可以转动的抛物面。

(60-70年代建设的密云射电望远镜)

但可以转动,意味着就不能做的太大。否则没有那么大的机器可以驱动反射面,反射面自己也会因为重力而变形。但天文望远镜的分辨率和口径成反比,收集信号的强度和口径的平方成正比,所以为了追求分辨率,下一个思路就是把望远镜固定在地上以扩大口径,类似于天眼和波多黎各阿雷西博望远镜。

(阿雷西博望远镜)

固定在地上,球面就优于抛物面了——球面没有指向性,任何方向来的平行信号,都可以反射到某一条线上。随着地球的转动,目标在天空中相对运动,就把线状的信号接收器转动到相应的方向,也可以集中信号。这就是阿雷西博望远镜的做法。但信号不聚焦于一点,终究是信号太弱。美国在望远镜中心挂了几百吨的一个超级接收器(馈源舱),才勉强发挥出望远镜数百米半径的优点。

所以,射电天文学家的梦想就是集中转动天线、固定天线,抛物面、球面的优点,打造一个足够大,运动灵活,还能聚焦于一点的望远镜,研究遥远星体的无线电波。(当然反过来也可以灵活地发射无线电)

这就是“天眼”用4000块多面板和2000多个促动器实现的目标——随着星体的移动,随时在“大锅”的球面内部组合出一个抛物面。抛物面跟着星体运动,只要星体还在“大锅”上空,就能连续观测,而信号又时刻集中于一点,用一个10吨的馈源舱就能完全接收。此外,由于传感器能随时判定每一块面板的位置,风力乃至地面变形对反射面的影响也会随时得到补偿,聚焦精度远远超越以往的抛物面望远镜。

(“锅底”始终形成一个可动的抛物面,时刻把主轴指向要观测的目标)

和波多黎各那个300多米的大锅相比,或者说德国伯恩100米可转动望远镜相比,“天眼”可以说兼顾了双方面的好处,口径上又远远超过,是一个划时代的产物。表面上看,“天眼”只是借助地势和中国的超强土木工程能力造了一口超级“大锅”,但实际上,它是21世纪信息技术和工程能力结合,制造的科学奇迹。不意外的话,两年后“天眼”正式运行,必然会做出惊人的发现。

返回的路上,我也在思考:虽然“天眼”很惊艳,客观来说,中国企业在很多工业门类上尚待追赶。就拿坐着的汽车来说,汽车工业反映了各国在第二次工业革命方面的积累。中国现在已经是世界第一的汽车生产大国,但2016年世界汽车销量排行榜上,前十名都不是中国品牌。要追赶世界先进水平,一方面必须在绕不过去的工业门类上“补课”,另一方面也可以积极利用第三次工业革命的成果,尝试“弯道超车”。

比如说,在去看“天眼”的路上,比亚迪的智能车载系统可以让我在大屏幕上看阅兵直播,这除了说明汽车和网络技术的结合,这也说明汽车电力系统提供了充沛的电力,可以为车载电脑提供越来越多的功能。

而车载电力充沛,意味着汽车要管理前所未有的电池系统——这需要计算机自动检测每一块电池的状况,调整负载,才能让几百块电池联动起来,和能量密度更高的燃油发动机竞争,更快地赶超欧美的先发优势。

从这个角度说,电动车企的电池管理系统,和“天眼”协调数千个促动器的计算机系统有异曲同工之处,都是用信息时代的技术改造20世纪的设计,实现前所未有的功能。

波多黎各的阿雷西博望远镜建于1963年,开始是固定的金属网,1974年升级为固定金属板,1980年再次扩建到366米直径。但无论怎么扩建,贵州“天眼”(缩写为FAST)已经在更高的层次上压了过去,在可预见的将来也必然是世界最强大的射电望远镜。希望这种赶超能成为中国科技发展的常态,希望中国工业的目标像“fast”望远镜一样远大。

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马平

马平

媒体人,前工程师

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来源:观察者网 | 责任编辑:宋煜昊
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