射電天文學(xué)在中國的爆發(fā)

今日世界千變?nèi)f化，講話得分外小心，否則很容易鬧笑話。上月底我對(duì)一群商學(xué)院的校友介紹過去一個(gè)世紀(jì)宇宙論的飛躍發(fā)展，“想當(dāng)然”地加了一句：這一切雖然精彩萬分，但看來沒有任何實(shí)用價(jià)值，所以國人絕少感興趣，科研投入更是空白一片。當(dāng)時(shí)前排有一位學(xué)員很禮貌地輕輕嘟囔“不是的，不見得……”，我沒有在意，他也不好意思繼續(xù)發(fā)揮。短短一星期后，報(bào)上刊登出全球排名第四（在亞洲則排第一）的上海65米口徑射電望遠(yuǎn)鏡落成的新聞，證明自己孤陋寡聞，大錯(cuò)特錯(cuò)，但后悔已晚，因?yàn)檎n程已經(jīng)結(jié)束，要更正也來不及了！

但即使是“想當(dāng)然”，我的直覺為什么會(huì)錯(cuò)得那么離譜，其根源到底何在？這倒要好好研究，好好惡補(bǔ)一下。其實(shí)，只要看看排在前五六位的同類望遠(yuǎn)鏡（所謂指向完全可調(diào)控的單碟射電望遠(yuǎn)鏡totally steerable single-dish radio telescope，即鍋底狀的巨型無線電波接收或者發(fā)射天線）是何時(shí)何地落成，中國又是從何時(shí)開始建造這種天文儀器，那么真相似乎也不難明白。

這類望遠(yuǎn)鏡最龐大，堪稱“老大哥”的，是美國西弗吉尼亞州位于“綠岸”Green Bank的100米口徑大碟，它在1962年落成，那是美蘇展開太空競(jìng)賽的產(chǎn)物。排第二的，是1972年落成的德國波恩艾浮斯堡Effelsberg 100米口徑大鏡。排第三的，是1957年落成，口徑76米的英國Jodrell Bank羅威爾（Lovell）望遠(yuǎn)鏡。它曾經(jīng)一再被用作美國太空計(jì)劃的通訊天線，包括接收信號(hào)和發(fā)射重要指令；它又是西方國家監(jiān)測(cè)蘇聯(lián)太空計(jì)劃一舉一動(dòng)的間諜天線，曾經(jīng)接收蘇聯(lián)無人登月器Lunar 9所發(fā)送的月球表面圖片，甚至將之在報(bào)上搶先發(fā)表！至于排第四的，其實(shí)還輪不到10月落成的上海大鏡，而要數(shù)美國太空總署（NASA）在澳洲首府堪培拉近郊所建立的太空遠(yuǎn)程通訊中心（CDSCC）大鏡，它在1965年落成，口徑本來只有64米，但在1987年擴(kuò)展到70米。其實(shí)，在1960年代，這中心一共設(shè)有3個(gè)太空跟蹤站之多，它們都是為美國阿波羅登月計(jì)劃和其他太空探索計(jì)劃的通訊需要服務(wù)的，計(jì)劃完成后，跟蹤站隨而關(guān)閉，只有這70米鏡和蘇聯(lián)在克里米亞地區(qū)的Yevpatoria 70米鏡（它的特點(diǎn)是具有極大發(fā)射功率）一樣，成為那個(gè)火紅年代遺留下來的見證。

除此之外，在澳洲新南威爾士還有一臺(tái)64米口徑帕克斯Parkes射電望遠(yuǎn)鏡，它在1961年落成，本意雖然是為天文研究，事實(shí)上也多次在美國阿波羅計(jì)劃和其他太空計(jì)劃中擔(dān)任通訊接收天線任務(wù)。由此可見，射電望遠(yuǎn)鏡一方面是研究物理天文學(xué)和宇宙學(xué)的儀器，但更是推動(dòng)太空計(jì)劃不可或缺的基礎(chǔ)通訊設(shè)備，以及了解、窺探、監(jiān)測(cè)其他國家太空計(jì)劃、設(shè)施的基本手段。換而言之，也可以說是太空競(jìng)賽的產(chǎn)物。

從這角度看，中國射電天文學(xué)的發(fā)展軌跡就很清楚了。它基本上分為兩個(gè)階段：從改革開放以至20世紀(jì)末那20年可以視為起步和學(xué)習(xí)階段，它以學(xué)術(shù)研究為主，而頗受資源和技術(shù)能力限制。例如，科學(xué)院在北京密云設(shè)立射電天文觀測(cè)站是60年代的事情，到1985年方才建成以28臺(tái)9米鏡為基本元素的1.1千米直線鏡陣，1990年建成第一座15米鏡；上海畬山的25米大鏡于1986年落成，主要是作為“超長基線干涉儀”的一個(gè)元素，參與國際合作；科學(xué)院烏魯木齊天文站在1993年建成的25米鏡的功能也相同。但到了21世紀(jì)，中國已經(jīng)積蓄足夠經(jīng)濟(jì)和技術(shù)力量，在嫦娥探月計(jì)劃（2003年正式啟動(dòng)）的強(qiáng)大刺激下，在過去10多年間，射電天文學(xué)就迎來一個(gè)爆發(fā)性階段了。它的主要標(biāo)志是密云的50米大鏡在2002年設(shè)計(jì)，2003年選址，2004～2005年組件安裝，2006年和昆明鳳凰山的40米鏡同時(shí)落成；它們的主要用途除了原來設(shè)想的脈沖星觀測(cè)以外，就是負(fù)擔(dān)與登月計(jì)劃特別是嫦娥一號(hào)和二號(hào)相關(guān)的通訊任務(wù)。

至于上海65米大鏡在2008年立項(xiàng)，2012年落成，則可以視為這第二階段的完成，因?yàn)樗B同畬山（原有的25米鏡）、密云（50米鏡）、昆明（40米鏡）、烏魯木齊（25米鏡）等其他4臺(tái)口徑大致相當(dāng)?shù)纳潆娡h(yuǎn)鏡，正好構(gòu)成一個(gè)立足中國本土，整體口徑達(dá)到兩三千公里之巨的超長基線干涉儀（Very Long Baseline Interfereometer，VLBI），其作用的原理是：通過將這些散處遠(yuǎn)距離的望遠(yuǎn)鏡同時(shí)接收到的無線電信號(hào)，以原子鐘調(diào)校到同步而相互比對(duì)參照（也就是所謂“干涉”），那么整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于所接收信號(hào)的方向的分辨能力，原則上將與一個(gè)口徑兩三千公里那么大的射電望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)。例如，倘若所接收的是3厘米波長的無線電波，即所謂微波（microwave），那么這干涉儀對(duì)來自月球那樣距離（約40萬公里）的信號(hào)，其空間位置分辨能力大約可以達(dá)到5米左右—因?yàn)槲覀冎劳h(yuǎn)鏡的角度分辨能力大致等于信號(hào)波長與望遠(yuǎn)鏡口徑比例的1.22倍。這樣的方位分辨能力對(duì)于登月器位置的測(cè)定、控制和調(diào)整，大體上已經(jīng)足夠。當(dāng)然，它是可以通過應(yīng)用更短的無線電波，或者更長的干涉儀基線，而改進(jìn)的。無論如何，從以上射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)展的簡(jiǎn)略歷史可見，毋庸諱言，西方和中國的射電天文學(xué)發(fā)展，都和太空競(jìng)賽有千絲萬縷的關(guān)系，甚至說在某一階段是由其拉動(dòng)也不為過。換而言之，射電天文學(xué)的技術(shù)和太空計(jì)劃是孖生兄弟，因此具有極為現(xiàn)實(shí)的意義，那是我“想當(dāng)然”之際所完全忘掉了的。

不過，這倒也不能夠說是真相的全部，因?yàn)榭茖W(xué)可以從原理走向?qū)嶋H，也同樣可以因?qū)嶋H發(fā)展而反饋純粹學(xué)術(shù)。例如，德國的艾浮斯堡100米大鏡，就始終是完全為學(xué)術(shù)服務(wù)。同樣，中國科學(xué)院也并沒有以最近10來年的發(fā)展為滿足，而是在國家大力支持下，雄心勃勃地更進(jìn)一步，爭(zhēng)取全球射電天文學(xué)領(lǐng)先地位。這可以從已經(jīng)向全世界公開宣布的兩個(gè)最新發(fā)展看出來。其一是已經(jīng)在貴州大窩凼一處克斯特（Karst）球形低洼地動(dòng)工建造，名為“FAST”的500米口徑固定單碟天線。它從1994年開始考慮和研究，2007年正式批準(zhǔn)，預(yù)算7億人民幣，2011年動(dòng)工，預(yù)計(jì)2016年落成，構(gòu)想 和美國波多黎各300米Arecibo射電望遠(yuǎn)鏡相同，但規(guī)模更大，設(shè)計(jì)更先進(jìn)精良，落成后無疑即將取代后者已經(jīng)保持了半個(gè)多世紀(jì)的龍頭地位。其次，2012年11月底在烏魯木齊所召開的一個(gè)大型國際會(huì)議，正在論證一臺(tái)110米口徑全方位可控單碟大望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)想，它計(jì)劃投資16.5億人民幣，將坐落新疆東部的奇臺(tái)縣石河子村（因此稱為QTT，奇臺(tái)望遠(yuǎn)鏡），預(yù)計(jì)2020年底落成。很顯然，從規(guī)模和設(shè)計(jì)看來，它也同樣是要取代美國Green Bank100×110米橢圓鏡已經(jīng)維持了60年的老大哥地位。

關(guān)于這兩個(gè)設(shè)計(jì)或建造中的巨大望遠(yuǎn)鏡，還有幾個(gè)基本觀念需要在此厘清一下。首先，它們的功能并不是要更精確測(cè)定遠(yuǎn)方信號(hào)的位置，那基本上是由眾多望遠(yuǎn)鏡所組成的“干涉儀”的基線長度決定。它們的真正作用是在于增加靈敏度，以接收、分辨和分析來自太空深處極其微弱信號(hào)（例如宇宙形成之初的各種信號(hào)），因?yàn)樾盘?hào)收集能力是與望遠(yuǎn)鏡的面積亦即其口徑平方成比例的。其次，這兩個(gè)耗資十?dāng)?shù)億的巨大計(jì)劃并不是以投入更多資源的方式來建造比前稍勝一籌的同樣儀器，而是以更新、更精良的技術(shù)來全面提高、改進(jìn)這些儀器的效能。舉個(gè)例子，由于過去數(shù)十年自動(dòng)化技術(shù)的飛躍進(jìn)步，所以這些新望遠(yuǎn)鏡的鏡面都已經(jīng)不再是半個(gè)世紀(jì)之前那些以靜態(tài)鋼筋鑄造的網(wǎng)狀曲面，而是由數(shù)千塊各自以傳感器和計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)其位置和取向的金屬面板，這樣無論風(fēng)速、溫度、整體指向如何，望遠(yuǎn)鏡都仍然可以維持其拋物曲面形狀，而將誤差保持在毫米范圍以內(nèi)。因此它各方面的性能比之以前，是不可同日而語的。最后，中國雖然對(duì)這些巨大計(jì)劃投入大量人力和資源，但發(fā)展方式與策略卻并非著重獨(dú)力推動(dòng)，而一直強(qiáng)調(diào)全面的國際合作和參與。事實(shí)上，開放和國際化可以說是它的主導(dǎo)精神。在這個(gè)意義上，我們也許可以期待，射電天文學(xué)在21世紀(jì)的“爆發(fā)”不但是中國的更將是世界性的，它將帶來宇宙論、物理天文學(xué)，以及射電探測(cè)技術(shù)等各個(gè)前緣學(xué)科的新紀(jì)元。</