那是一只神奇的天眼，把深空的秘密擒到人间
英国媒体BBC在五月二十三日向全世界发出了【中国的科学革命】的专题报道[1]，文章一开始就点题中国贵州平塘的巨型射电望远镜，介绍详实，图文并茂，引起了我极大的兴趣。
400多年前，伽利略首次端起光学望远镜朝向星空，为人类观测宇宙的奥秘开启了一个窗口。接着人们发现，天体除了发出可见光，还发出电磁波，于是用来观察、接收和分析深空中电磁波的射电望远镜就成为了天文学家的利器，它为人类探索宇宙打开了一扇大门。20世纪60年代天文物理学取得了四项非常重要的发现：脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射和星际有机分子，这著名的“四大发现”都与射电望远镜密切有关。
物理学告诉我们光波就是波长较短的电磁波，因而射电望远镜和光学望远镜实际上就是同一类工具，它们检测的仅是不同波长的电磁波。这有点像体温计和气温表，它们的差别就是测量温度的不同的区域而已。所以把这两种望远镜都称作电磁波望远镜似乎更为妥切，不知这样的提法是否也算原创？由此可知射电望远镜的基本工作原理与反射式光学望远镜不会有多大区别，它们都是依靠一块大型反射镜尽可能多地收集远处微弱的电磁波，并使之聚焦到一局部区域，然后纪录下来供进一步的分析处理。
P1)上图为世界各国大型射电望远镜的主反射镜尺寸比较。下图的横轴为天体电磁波的波长，纵轴为地球大气层对电磁辐射的非透明度。
P2)天球扫描图：从上到下波长分别为：可见光波段；21CM 中性氢原子幅射；73.0CM波段。
P3)基本原理示意图：上部为牛顿反射式光学望远镜，下部为射电望远镜。
衡量射电望远镜性能的基本指标是空间分辨率和灵敏度，前者决定了区分天空中彼此靠近的射电点源的能力，后者反映了探测微弱射电源的能力。与光学望远镜一样，射电望远镜的分辨率和灵敏度主要决定于它的主反射镜的尺寸，那块主反射镜就像美女的眼睛，越大越好。
在过去的几十年中，射电望远镜的主反射镜越做越大，但“大有大的难处”。要把直径几十米大的反射镜安装在高塔上，让它能转动自如并穏定地跟踪天体目标，技术上有许多的难处。
60年代中期，美国在中美洲的波多黎哥利用一个天然洼地建成了305米直径的射电望远镜，它保持最大口径射电望远镜的冠军称号长达几十年[2]。可惜它的好日子所剩无几了，即将在贵州平塘山区建成的中国射电望远镜的孔径为500米（简称FAST Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope），今年秋季建成后它将傲视全球无敌手！
P4)贵州省黔南州平塘县大窝凼洼地原貌
P5)建没中的世界最大单体射电望远镜
如此巨大的主反射镜的自重都在数千吨以上，把它们放置于活动支架上让其转动的这条路根本走不通。可行的办法是利用天坑似的洼地，先建一个钢结构的园环，然后把主反射镜球面固定在园环上。通俗地讲，FAST像是一口大锅，洼地则是支撑这口锅的锅架。现在的关键是如何让这块主反射镜可以改变观测方向和跟踪待测的天体。这就涉及到中国FAST的自主创新的两项核心技术：“馈源支撑系统”和“主动反射面单元”。
改变和控制这个巨形主反射镜的观测方向的秘密全在P6的左边示意图中。这是一张二维的剖面图，图中有二条同心园弧，下面大的一条即是主反射镜，上面一条小的园弧是馈源的活动轨道。当馈源移动到轨道上某一点，馈源与园弧中心的连线就是反射镜的观测方向，与该轴平行方向入射的电磁波均被聚焦后送之馈源后接受分析处理。
P6)FAST改变观测方向的示意图。馈源沿着内园弧移动，其中S1即为观测方向。
P7)FAST的主动反射面单元
用这种方案来改变观测方向避开了转动巨大主反射镜的困难，损失的是反射镜的有效孔径，一只五百米的主反射镜实际上每个时刻只用到了其中的三百米孔径。这实在也是无奈，是工程上常常要做的妥协。一流的工程师与现代政治家都是妥协折中的高手。我一贯欣赏和支持有工程师背景的政治家，千万不能让理论物理学家介入政治，他们只会追求完美和认死理，要让他们做点实事那一定会导致人仰马翻。
千万别以为移动馈源是小事一桩，馈源包括了电磁波接收，波导转換，信号前置处理和电磁屏蔽罩，这个统称为馈源舱，它自重不轻，还要让它在500米空间跨度上作精确移动和定位实属不易。中国科学家为馈源的支撑控制作出了“变革式的创新设计”，该系统使用六根大跨度柔索，牵引馈源舱做高精度三维扫描运动，与美国305m口径的馈源系统相比，重量由1000吨降至20吨。方案重点解决了牵引索柔性结构的精确力学建模和仿真，牵引索柔性结构的控制，以及粗精两级调整系统的动力学耦合与复合运动控制等问题，使馈源舱的动态定位精度达到了毫米级！中国的这台巨无霸射电望远镜的天空覆盖可达到天顶角40度（即入射光线于与地面法线间的夹角），这个重要指标也远超美国305米孔径的那台射电望远镜。
我对FAST的另一关注点是“主动反射面单元”，这是FAST的另一独创设计。FAST的25万平方米主反射镜是由4450块六边形反射面单元组成，这些反射面单元都有独立支架并可调节（见图7）。在某个时刻当馈源移动到某一确定位置后，球形主反射镜中针对着馈源的各有效使用反射面单元会略作调整，实时拟合成一个瞬时抛物面。FAST通过此方案改正了球差，简化了馈源，克服了球反射面的线聚焦造成的窄带效应[3]。熟悉并掌握该项技术对于将来研制大型太空望远镜也具有重要意义，我在前一博文“六年铸一镜，光彩照乾坤”中曾指出：“从长远来看，由组合可调镜片构成大型太空反射镜的技术迟早必须掌握，因为运载火箭的尺寸毕竟总是有限的，而对大尺寸主反射镜的需求却是刚性的。”由此可见建设大型科研项目的意义和收获是丰富多样的，各类技术是互相有关的有机整体，它们是可以触类旁通举一反三的，重要的是要去做，在挫折和失败中接受教训、积累经验，这才是科技立国的唯一通途。
到此可作个小结：中国的FAST是球面形射电望远镜，其主反射镜的支撑面做成球形，馈源被六根柔性悬索吊挂在离开主反射镜近百米的高空，馈源在同心球面移动时与主反射镜基准面保持等距，其定位精度达毫米级。而主反射镜做成分布可调单元确保对馈源的每个瞬间形成抛物面，使有效反射面上的所有入射电磁波以点方式聚集于馈源上。从馈源得到的讯号经前置低噪声放大器放大后转换成中频，然后通过悬挂在柔索上的光纤送至讯号处理中心。
P8)中国贵州平塘射电望远镜与系统示意图
P9)即将完工的贵州平塘巨型射电望远镜
建设FAST射电望远镜对天文物理学研究的意义十分明显，本文就不再细述，这里有必要强调它在其它一些相关领域中的应用。由于FAST对深空电磁波观测上的高分率和高灵敏度，它可参与中国航天工程中的测控系统，把中国空间测控能力由地球同步轨道延伸至整个太阳系，也可用它来接收深空卫星的通讯数据，把数据的下载速率提高100倍！FAST也可作为非相干散射雷达接收系统，提供高分辨率和高效率的地球中高层的大气、电离层和地磁场的有关参数，为子午工程（大型空间环境地基监测系统）作出贡献。其实FAST就是放在云贵高原上的一部超大型被动式雷达，它在军事战略上的作用我不想置喙。据我所知，美国建在波多黎哥的最大的射电望远镜一开始就带有军事目的，当时军方就是想利用该设备研究彈道导彈的战斗部和诱铒穿越电离层时的电磁特征。事实上这些花费巨额资金建起的大型工程项目都会有军方的背景，这些也都是公开的秘密。
这座为世人瞩目的射电望远镜建在中国贵州省黔南州平塘县大窝凼洼地，天坑似的洼地与500公尺反射镜地形匹配，减少了施工工程量，大窝凼的喀斯特地质特性可以避免雨水积聚导致天災。大窝凼附近没有集镇和工厂，在5公里半径之内没有一个乡镇，25公里半径之内只有一个县城，远离各类人为电磁污染，这是极为理想的选址。
大型天文台的选址从来就是一个严肃的课题，选址有点像男女相亲，选定合适的地点关系着天文台的一生一世。把世界最大的射电望远镜选定在贵州平塘的山洼里真可谓老谋深算、棋高一招，上面提到的选址原因媒体都有报道，我要披露的其它一些因素却少为人知。贵州黔南地区冬暖夏凉，气温长年在20摄氏度上下，大型反射镜面金属材料的热胀冷缩问题容易得到控制，试想一下把它建在华北或东北，一系列的工程问题定会让建设者头疼。北国的冬天，千里冰封、万里雪飘，届时神奇的天眼大约也只能闭目冬眠了。而且黔南地区风速小，风向少变，这点也很关键，否则跨度500米由六根柔性悬索吊挂在100米高空的馈源真会让人心憂！还有一点更为重要，贵州不是地震多发地带，大型精密工程建在四川、云南等地就不太合适。顺便提一下，正是因为拥有这些得天独厚的优势，贵州已经成为许多跨国公司建立云端服务中心的首选地。
请想信我，我提供的深度分析不会有错，道理十分简单，我是半个贵州人，贵州就是我的第二故乡。七十年代，我被复旦发配到了贵州，漂泊在贵州的山水间有五、六年之久。当年毕业分配到贵州原是一种惩罚，谁知我因禍得福，在贵州的深山中躱过了一场又一场的政治风暴，我在纯朴正直的山民的关心和保护下安稳地度过了我的青春岁月。我对那块土地的依恋是常人难以理解的，这也是我对贵州平塘射电望远镜项目有着特殊感情的主要原因。
P10)贵州平塘射电望远镜周边的山寨村民
P11)贵州平塘的布依族民居
BBC有关贵州平塘射电望远镜报导中的一张照片把布依族村寨和村民的形象生动地展现在我的眼前，把我的思绪一下子拉回到四十年前。当年我是那附近一个区镇的带帽小学的老师，我的学生和同事大多数是布依族。布依族学生都是班上的模范生，他们勤奋好学、讲究卫生、遵纪守法，很少见他们之间有骂人打架的。班上成绩最好的两个学生都是布依族，女的文静聪慧是学习委员，男的是数学科代表，眼清目秀长得有些像影视偶象佟大为，离开他们有许多年了，真心地希望这些生活在FAST周围的人们幸福快乐。
布依族先民原是“百越”的一支，百越民族最先开创了水稻种植，为世界稻作文明作出了重要贡献，享有“水稻民族”之称。布依族在执着地维系中华民族优秀传统文化的同时，又最善于学习和接受现代文明。把现代高科技项目建设在布依族群中间是最具匠心的设计，把现代科技和传统文化放在一起营造出强烈视觉冲击的同时，又展示了中国多民族团结一致共同走向现代化的和谐形象。
布依族的学生学习先进科技文化的热情我最有深刻的体会。当年我在执教的学校创办了一个勤工俭学的小工场，为周围村民们修理半导体收音机和其它农业机电设备。记得那些围在我身边的学生，好奇地看着我打开收音机，用万用表测试着复杂的电路，从这些布依族学生的明亮的眼神我清楚地感觉到他们对科技的崇敬和热爱，在短短的一、二学期中我在他们中间竟然培养出了好几名修理电器的初级技工。
估计平塘这座射电望远镜将于今年秋季建成。真希望金桂飘香时能重返我的第二故乡，回到我当年的学生们中间，在晧月当空的夜晚同登绿树满坡的小山岗。我要把他们带到平塘射电望远镜的边上，向他们讲授射电望远镜的基本原理和科学用途。他们听着那曾经非常熟悉的带着苏州口音的贵州话，一定会像从前一样高高兴兴地围在我的身旁，像往年一样提出各种各样有趣的问题。面对着独步全球的五百米的巨型射电望远镜，他们一定会为国家在科学技术上的进步而自豪，肯定更为自己是中华民族大家庭中的一员而备感骄傲。如果我把BBC专题报导中最后一个问题告诉我的学生们，我相信他们的一致回答是：Yes,We will!
[1]BBC 专题报道全文：China's Science Revolution。该文结束语言简意赅、发人省思，原文摘录于下与诸位分享：
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]科学家们在美国的305米射电望远镜Arecibo上收获了丰硕的科研成果，略举数项于下：
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]
