太空探測開發(fā)力助大國崛起

徐仁新

【摘要】太空作為重要的戰(zhàn)略資源，其開發(fā)的程度體現(xiàn)國家的綜合競爭力。天文學乃自然科學六大基礎學科（數(shù)理化天地生）之一，緊隨人類文明之啟而誕生。相對于其他基礎科學而言， 天文學具有“小學科、 大科學”特點，屬于“貴族的游戲”。鑒于經(jīng)濟實力的提升，未來一段時間將是我國天文學科蓬勃發(fā)展的黃金時代。本文分別從科學問題和望遠鏡設備兩個方面闡述了天文學的社會意義，特別是在大國崛起過程中的關鍵角色；討論了天文學與太空科技的關聯(lián)，特別是脈沖星研究對太空科技的促進作用。

【關鍵詞】天文學 天文望遠鏡 大國崛起 民族復興

【中圖分類號】D8 【文獻標識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2017.05.004

作為四大文明古國之一，中國曾經(jīng)是人類史上的璀璨明珠，然而近代卻倍受屈辱。1840年的鴉片戰(zhàn)爭撬開了古老中國的大門，接踵而來的是若干不平等條約的簽署，喪失獨立主權的中國被戲稱為“東亞病夫”，國民的自尊心亦喪失殆盡。近年來，中國的經(jīng)濟建設成效舉世矚目，但就科學和技術的整體實力而言，與西方發(fā)達國家的差距還是明顯的。

未來要實現(xiàn)中華民族的全面復興，科學和技術之興盛不可或缺?？茖W集人類關于自然現(xiàn)象或社會經(jīng)驗之大成，不僅作為軟實力體現(xiàn)人類的文明和進步，而且能夠引領社會的技術提升，促進一國產(chǎn)業(yè)從低端向高端轉型。一句話，科學不僅“虛”而且也“實”，在國家強盛過程中起關鍵作用。這里擬從天文學角度闡述其在大國崛起過程中的特殊意義。

天文學要回答的問題是基本的、終極的

天文學乃自然科學六大基礎學科（數(shù)理化天地生）之一，緊隨人類文明之啟而誕生。當智慧的靈長類生物抬頭凝視繁星點點的夜空時，神秘而不解的疑問就一直縈繞其腦海：那是什么？離我多遠？還有比它們更遠的嗎？它們一直就在那嗎？是不是那里也有一個像我一樣遙望星空的他/她？缺少了這些思辯，猩猩或許永遠不會成功進化為人類。雖然現(xiàn)代科學已經(jīng)高度異化導致不同學科溝通的語言越來越有限，但是天文學企圖回答的問題還是那么單純而直白。

值得注意的是，相對于其他基礎科學而言，天文學具有“小學科、大科學”特點。一方面，天文學所研究的科學問題豐富、終極而基本，往往需要傾一國或多國之財力和人才方能成功建設和運行某個大型天文觀測設備以試圖解決這些問題（此為“大科學”）；另一方面，天文學從業(yè)人員數(shù)目相對于其他學科偏少，甚至于明顯少于某些二級學科（此為“小學科”，而我國目前天文學教研規(guī)模在自然科學中所占比重相對于歐美等發(fā)達國家而言則更低）?？梢?，天文學屬于“貴族的游戲”，只有經(jīng)濟實力雄厚的強國才能支撐天文學研究。鑒于經(jīng)濟實力的提升，未來一段時間將是我國天文學科蓬勃發(fā)展的黃金時代。天文學要回答的問題是基本的、終極的，這奠定了天文學在大國崛起中的重要地位。

首先，天文學能夠塑造人們正確的世界觀和宇宙觀，提升整個民族的人文和科學素養(yǎng)。作為一種具有精神需求的生命，人類對認識自己所處的宇宙環(huán)境有本能的欲望。錯誤而極端的宇宙觀易于導致某些災難性的后果?！安恢煊卸喔叩赜卸嗪瘛钡娜藢ψ匀痪蜎]有敬畏感，對同類就少了包容心，在法律和道德面前很可能就失去了心理底限。盡管渺小，但人類用科學手段探究自身在宇宙中的存在，這有助于革除教條思維、破除封建迷信。對崛起的大國而言，正確的世界觀無疑是建設文明、和諧社會的必要基礎。

值得提及的是，從物理學角度來看，天文學以宇宙中若干極端過程、甚至將宇宙本身作為實驗室來研究自然。天文學的這一“物理”角色也很重要，有助于人們檢驗、改善甚至發(fā)現(xiàn)基本定律。許多極端的天體環(huán)境對于一般實驗室物理學家而言是望塵莫及的，檢驗目前已知的“普遍”規(guī)律在極端天體條件下的正確性是天文學家不可推卸的職責。當然，在極端情形下不排除某些已知規(guī)律需要作部分甚至突破性的修正。完善和發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律恰是天文學魅力的體現(xiàn)。牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律就是這方面一個較早的典范，它能夠闡明包括行星運動在內的若干跟引力有關的過程。難怪詩人蒲柏感嘆：“自然和自然規(guī)律為黑暗隱蔽。上帝說，讓牛頓來！一切即臻光明?！?/p>

其次，以探測微弱天體信號為目的而發(fā)展起來的若干先進天文觀測技術，促進了現(xiàn)代科學技術的發(fā)展。這些科技的轉化和應用推動著社會、國防以及軍事等的現(xiàn)代化。貫穿人類文明史的重大疑難問題的解決離不開愈來愈尖端的技術革新，只有這樣才能探測愈來愈準、愈來愈遠的宇宙信息（包括望遠鏡在內的大型實驗設備沒有最高端，只有更尖端）?？梢姡瑢K極問題解決的努力促使人類對尖端技術永無止境的追求、帶動整個社會產(chǎn)業(yè)的升級并提升競爭力。

再者，參與國際一流大型天文望遠鏡的建設和運行是分享科學管理經(jīng)驗的機會。盡管各國文化、制度等存在差異，但高度國際化的天文設備的實施卻普遍以“高效率、低成本”為宗旨。所以，國際大型天文設備不僅是科技交流的平臺，也為高效而科學的行政管理模式提供了范例。

最后，還需指出的是，作為軟實力的科學文明往往以認識宇宙的重大進展作為時代的記憶。牛頓在學術上是多產(chǎn)的，但如上提及，以萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)最具代表性。17世紀以來相當長的時間內，學術界對牛頓的崇拜近乎神化，直到20世紀出現(xiàn)更新牛頓萬有引力的愛因斯坦廣義相對論。同樣，愛因斯坦在物理學領域貢獻頗豐，而“相對論”是他歷史地位的象征。從牛頓到愛因斯坦，學術話語權的主導也相繼從英國轉向德國和美國。不少國人常有“諾貝爾獎情結”，但我們這個民族更應該思考的是：誰將會是這顆藍色行星上替代愛因斯坦的人物？這個人的出現(xiàn)才標志著大國崛起后走向輝煌。

天文望遠鏡與太空科技

天文學擬回答的終極問題自人類誕生起一直相伴。人類只要在地球上沒有滅亡，就不會停止思考和解決這些問題。天文學家主要通過天體過程所泄漏的各種信息來探究宇宙及自然基本規(guī)律，事實上，他們正為解決這些科學問題而“不擇手段”：在地面、地下、深海、太空等建造先進的天文探測設備（即望遠鏡）來搜集來自宇宙深處的微弱信號，并對這些數(shù)據(jù)仔細處理和分析，以求最終找到問題的答案。

電磁波（其能量子為光子）是迄今最主要的泄露天體過程信息的載體（其他載體包括宇宙線、中微子和引力波等），因此天文學家往往專注于探測各式各樣的電磁輻射。依據(jù)探測手段上的差異，電磁波的觀測分為三大類：光學、射電和高能X/γ射線。相應地，天文學按觀測波段分為光學天文、射電天文和高能天文等分支。光學天文是最早的傳統(tǒng)觀測手段。然而，隨著二戰(zhàn)中雷達技術的興起以及高空氣球或火箭探測的嘗試，射電天文和高能天文自上世紀中葉開始逐漸活躍于天文學的前沿。這三大天文領域獲取的天體信息互為補充，且對技術和社會的推動也不盡相同。從表1可見，再高深的科學目標也只有物化到“電路板”上才可能達到，也才能有效地推動技術創(chuàng)新、促進產(chǎn)業(yè)升級。三類天文觀測都高度依賴機械自控等“機電一體化”。無疑，大型天文望遠鏡是高新技術的“競技場”。

四百多年前，望遠鏡在荷蘭的一個小鎮(zhèn)被眼鏡師所發(fā)明。伽利略自制望遠鏡指向星空，特別是木星及其周圍的衛(wèi)星系統(tǒng)，表明地球并不是這個體系的中心。這有力地支持了哥白尼的“日心說”。時至今日，望遠鏡的設計、建設和運行越來越復雜和高端，成為國家孕育技術創(chuàng)新的平臺。建國之前，我國的望遠鏡乏善可陳。1989年投入運行的2.16米口徑的光學望遠鏡是個里程碑。由于國力不濟，各類天文望遠鏡盡管后續(xù)有所發(fā)展，但跟國際先進水準相比仍然存在顯著差距?？上驳氖?，隨著近年來的經(jīng)濟發(fā)展和國際交流，我國正籌劃、建設和運行若干國際一流的大型望遠鏡。

天文望遠鏡跟太空科技的關聯(lián)至少體現(xiàn)在如下兩個方面。

一方面，太空飛行設備的指令上傳和數(shù)據(jù)下傳往往借助天文望遠鏡來完成，以實現(xiàn)地面與太空之間的成功通訊。正如日常生活中人們利用無線電（手機）信號交流，太空與地面之間的通訊往往也是利用射電波。雖然雷達天線也能起這樣的作用，但是射電望遠鏡具有比雷達更靈敏和精確的性能，能夠發(fā)送和獲得高質量的數(shù)據(jù)。

射電天文取得的科學成就為相關技術的發(fā)展推波助瀾。眾所周知，上世紀60年代的射電天文“四大發(fā)現(xiàn)”（類星體、星際分子、微波背景輻射和脈沖星）至今仍是天體物理學者們研究的熱點。射電天文取得如此耀眼的成果其實并不奇怪，天文觀測可以泛泛地看作星際通訊，而無線電波是最經(jīng)濟的信使。利用全球射電天文望遠鏡運行至今所接受的總能量甚至翻不動一張紙。正如全球通過無線電波通訊進入了信息時代，射電波當之無愧地成為人類認識宇宙的關鍵窗口。射電天文發(fā)展的背后靠的是日新月異的電子學技術。反過來講，要讓無線電技術再上一個臺階還需借助射電天文來引領。如今，我國無線電技術階躍性的提升尤為緊迫，涉及社會（電子產(chǎn)業(yè)）、國防（防控識別）甚至軍事（空中預警）等領域。2016年7月，我國在貴州建成了全球最大單口徑望遠鏡（FAST，如圖1），這昭示著射電天文全面發(fā)展的美好明天。

談起射電天文望遠鏡，不得不提及如今國際合作研制的平方公里射電陣（SKA）。它將是世界上最大、最靈敏的射電望遠鏡陣，臺址位于南非和澳大利亞境內。它靈敏度極高，能檢測到距離地球數(shù)十光年遠的行星上機場雷達，分辨率高于哈勃太空望遠鏡的50倍。SKA代表了人類信息技術的最高水平，其建設和運行將全面挑戰(zhàn)現(xiàn)有電子學技術。若中國成功參與SKA，有望帶動我國電子、信息、微弱信號檢測與處理等若干領域的技術發(fā)展，并儲備服務于國家安全的技術。

另一方面，為得到更高質量的測量數(shù)據(jù)，天文學家還在太空建設望遠鏡。這些天文設備的建設和運行代表太空科技的發(fā)展水平。固體地球表面以上存在大氣層，不同波段的電磁輻射被大氣層吸收的程度有差異。有三個頻段內的光子被大氣層吸收較弱，這些波段稱為“大氣輻射窗口”（包括光學窗口、紅外窗口和射電窗口）。若要探測這三個波段之外的電磁輻射就不得不通過衛(wèi)星、火箭或高空氣球等實現(xiàn)。例如最典型的高能X/γ射線的測量，其理想的方式是在太空飛行器上實施。不過，即便于大氣輻射窗口內（如可見光波段）觀測，為了避免大氣層湍動對天體影像的干擾，在外太空測量也具有優(yōu)勢。這些應用于天文學研究的人造衛(wèi)星又稱為“太空望遠鏡”。例如，美國哈勃太空望遠鏡是在近地軌道上運行的口徑為2.4米的光學望遠鏡，國際上在軌工作的X射線望遠鏡錢德拉衛(wèi)星和牛頓衛(wèi)星分別由美國、歐洲主導研制。

隨著國力的上升，我國“十一五”太空科學發(fā)展規(guī)劃列入“硬X射線調制望遠鏡”（HXMT）。這是我國自主研制的第一顆太空X射線望遠鏡，計劃2017年上旬發(fā)射升空，用于觀測黑洞和中子星/脈沖星等極端天體的表現(xiàn)?？上驳氖?，積累了HXMT的研制與觀測經(jīng)驗之后，我國考慮聯(lián)合歐洲研制增強型X射線計時和偏振（eXTP）望遠鏡（圖2）。eXTP將是中國主導的X射線天文研究平臺，它不僅擁有更好的性能來記錄宇宙X射線，而且將通過跟國際高能天文研究接軌培養(yǎng)一支有競爭力的年輕一代X射線天文學家。類似于HXMT，eXTPS的科學目標將研究強引力、高密度以及強磁場等情形下的物理規(guī)律，拓展人類關于深層次物理規(guī)律在大尺度上表現(xiàn)方面的知識。如果計劃順利，eXTP將于2025年前升空，成為國際上先進的在軌運行X射線望遠鏡。顯然，以HXMT和eXTP為代表的太空天文衛(wèi)星的研制和運行跟太空科技實力的整體發(fā)展密不可分。

除了地空通訊和太空觀測以外，包括衛(wèi)星軌道動力學、行星科學、太空碎片監(jiān)測等太空科技離不開天體力學這個傳統(tǒng)的天文學領域，望遠鏡觀測也不可缺少。誠然，天文學這些屬性使得任何一個大國在經(jīng)濟發(fā)展到一定程度后都會重視它的發(fā)展。這是大國走向強盛的必由之路。

脈沖星科學與工程

以上分別討論了天文學和望遠鏡，在此一部分筆者擬占些篇幅討論自己長期關注的脈沖星科學與工程及其跟太空科技的關聯(lián)。

脈沖星為大質量恒星演化至晚期通過超新星爆發(fā)后而遺留的殘骸，以極端物理環(huán)境（高密度、強電磁場和引力場等）而著稱。它的存在，不僅有助于理解宇宙中豐富而有趣的天文現(xiàn)象，而且是研究基本物理規(guī)律的關鍵場所，并會協(xié)助人類打開納赫茲引力波天文觀測窗口。除了這些科學意義外，脈沖星研究還具有時頻和導航等應用價值。鑒于此，脈沖星是包括FAST、HXMT、eXTP以及平方公里射電陣（SKA）等國內外的大型地面或太空望遠鏡的核心科學目標，受到相關領域從科學家到工程師人群的普遍青睞。

脈沖星看似一類非常簡單的天體，它們不停地旋轉，其輻射各向異性使得我們觀測到周期性的脈沖信號（倒是有點類似航海“燈塔”）。然而，就是如此簡單的一種天體，卻非常重要。在基礎科學方面，脈沖星研究能有效地提高我們關于引力（涉及時空的結構）和強力（強相互作用的非微擾行為）的認識，這對于理解自然力的起源和本質意義匪淺。在工程技術方面，脈沖星被看作具有戰(zhàn)略意義的“天然時鐘”。通過脈沖星觀測與研究，人們正努力實現(xiàn)關乎社會長遠發(fā)展的兩大目標：改進時間頻標基準和自主導航近地（或深空）飛行器。其中后者成功與否，無疑將深刻地影響未來太空資源的開發(fā)與利用。

具體而言，脈沖星科學主要體現(xiàn)在理解強力的非微擾屬性、檢驗各種引力理論和探測納赫茲引力波等方面。下面具體闡述。

第一，了解強力的非微擾行為。構成脈沖星物質的密度比水高1014倍以上，這種致密物質狀態(tài)跟夸克之間的相互作用行為有關。我們知道，描述夸克之間基本強相互作用的理論體系是量子色動力學（QCD）。QCD有兩個基本特征：高能標時漸近自由（因能作微擾論處理，所得理論結果已被很好地實驗檢驗）但低能標下夸克卻表現(xiàn)出較強的相互耦合（即非微擾效應，因其難以理論計算而未能像高能標情形那樣被很好地實驗檢驗）。要刻畫脈沖星物質的狀態(tài)，人們不得不考慮強力的非微擾效應。反過來，這也為我們利用脈沖星的觀測現(xiàn)象認識低能QCD提供了一條天文學途徑。

第二，檢驗引力理論。隨著希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，描述自然界的電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用的標準模型有了更堅實的實驗基礎。但是，人們對最先了解的引力的理解卻存在著諸多困惑。標準模型與廣義相對論存在不可調和的矛盾，至今尚缺少一個自洽的引力量子化的框架。解決這一問題是人類面臨的重大挑戰(zhàn)，而途徑之一是更精確地檢驗各種引力理論。脈沖星雙星系統(tǒng)（包括脈沖星—中子星、脈沖星—白矮星、脈沖星—黑洞等）具有較強的引力作用，人們可以通過精確測量雙星軌道運動參數(shù)來檢驗包括愛因斯坦廣義相對論在內的若干引力理論。盡管至今未發(fā)現(xiàn)觀測結果顯著偏離愛因斯坦廣義相對論的預言，但人們在越來越高的精度上繼續(xù)實驗檢驗。

第三，探測納赫茲引力波。一百年前愛因斯坦廣義相對論預言引力波，它可形象地看作彎曲時空中的漣漪。美國正在運行的地面激光干涉儀對千赫茲的高頻引力波敏感，已經(jīng)成功地探測到13億光年遠質量分別約為太陽質量36和29倍的雙黑洞并合過程中釋放的引力波。類似于電磁波，不同頻域的引力波探測方式也存在較大差異。脈沖星陣（PTA）是測量納赫茲引力波的重要手段，它通過長期監(jiān)測若干顆脈沖星的脈沖精確到達時間并分析其中的關聯(lián)性來實現(xiàn)。此外，PTA也是構建地面脈沖星時間標準的工具。

實際上，脈沖星的科學與應用研究緊密相關，都以精確測量脈沖到達時間為基礎。為了達到這一目標，高性能的地面或太空望遠鏡是必要的。比如，為了降低統(tǒng)計誤差、提高脈沖到達時間的測量精度，脈沖星導航的前提之一是獲得足夠高的X射線計數(shù)率，這就需要探測器能夠有效地記錄X射線。

保羅·肯尼迪在《大國的興衰》一書中有言，“現(xiàn)代國家的硬實力建立在科技與工業(yè)基礎之上”。值得注意的是，科學發(fā)展影響技術和工業(yè)的具體模式隨著時代而變遷。眾所周知，原子核是人類認識微觀世界的一個重要層次。上世紀40年代前后核物理學進入大發(fā)展時期，其應用研究深刻地改變了人類的戰(zhàn)爭史、文明史以及能源觀。如今，太空作為重要的戰(zhàn)略資源，其開發(fā)的程度體現(xiàn)國家的綜合競爭力。半個多世紀后的今天，人們似乎正在將關注的目光從原子核轉向脈沖星。

小結

作為最古老的自然科學之一，天文學在中華民族崛起之時將煥發(fā)新的活力。它不僅是認識自然、建立正確世界觀的重要途徑，而且以相關大科學工程為平臺引領科技創(chuàng)新。天文測量沒有最精密，只有更精密；科學技術沒有最尖端，只有更尖端。在大國崛起過程中，天文學無論在“虛”還是“實”的方面所扮演的角色均無可替代。關于眼下天文學科的發(fā)展，有兩點值得討論。

一是關于國際合作。天文學是高度國際化的學科，但無論科學還是技術的合作都應該嚴肅評估其推動國內技術和產(chǎn)業(yè)的可能性。我國高鐵和大飛機的發(fā)展歷史就是值得借鑒的成敗經(jīng)驗。鐵路和空運在我國都有廣闊的市場。在短短十來年的時間內，高鐵能夠融會多國技術而“后來居上”并成為中國的“名片”，靠的是以國際合作助推自身研發(fā)從無到有、從低到高。若無研發(fā)之本，高鐵也必如“大飛機”那樣至少一段時間內停留在購置引進階段。

二是關于教育。過去經(jīng)濟上的落后導致天文學科發(fā)展遲緩，人才培養(yǎng)和儲備也不理想。隨著若干大型望遠鏡的國內主導和國際參與，大家都意識到推廣大學天文教研的緊迫性。教育是個系統(tǒng)工程。一個國家未來十年的科學競爭力很大程度上取決于如今剛獲得博士學位的研究隊伍；二十年后的社會活力掌握于目前在讀的大學生和研究生手里；三十年后的中堅力量正在接受我們?yōu)樗麄冊O計的初等和中等教育。然而，當今的教育環(huán)境不容樂觀。中等特別是高等教育應該鼓勵興趣驅動而不是功利驅動的，后者不可避免地導致教育資源配置的浪費和失衡。只有具備了健康有序的教育系統(tǒng)，我國巨大的人力資源潛力才會得以釋放。

責 編∕鄭韶武