巨目觀天 中國(guó)天眼的故事

千萬(wàn)年來(lái)，人類享受光帶來(lái)的明亮、能量以及精神力量，卻對(duì)光的本質(zhì)一無(wú)所知。直到17世紀(jì)，牛頓才在光的研究上前進(jìn)了一大步。除了曠世之作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》之外，《光學(xué)》也是他的偉大貢獻(xiàn)。牛頓通過(guò)色散實(shí)驗(yàn)揭示了白光是由七種單色光構(gòu)成的復(fù)合光，創(chuàng)建了光的微粒說(shuō)解釋了光的直線傳播和反射性質(zhì)。微粒說(shuō)一度成為科學(xué)界對(duì)光本質(zhì)的權(quán)威解釋，流行了200年。

1864年，英國(guó)科學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋在其前輩邁克爾·法拉第電磁理論的研究基礎(chǔ)上，預(yù)言了電磁波的存在，建立了相對(duì)完備的電磁波理論和完美的方程組。1887年，德國(guó)物理學(xué)家海因里?！ず掌澯脤?shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言。隨后，意大利工程師伽利爾摩·馬可尼不僅用實(shí)驗(yàn)證明光是一種電磁波，而且發(fā)現(xiàn)了更多形式的電磁波。

至此，人類認(rèn)知再次躍升：電磁波是由方向相同且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射的波，是以波動(dòng)的形式傳播的電磁場(chǎng)，具有波粒二象性，在真空中的傳播速度為光速。描述電磁波性質(zhì)的最重要參數(shù)是頻率（與波長(zhǎng)成反比）。在電磁波譜上，以頻率由低向高（波長(zhǎng)由長(zhǎng)向短）排列的話，依次為無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、γ射線。其中可見(jiàn)光的頻率在380～750THz，波長(zhǎng)在780nm～400nm之間，只是電磁波家族中很小的一個(gè)成員。眼見(jiàn)為實(shí)，這話不錯(cuò)，但是人類可見(jiàn)的圖景并不能表現(xiàn)宇宙的全部信息。

19世紀(jì)末，在馬可尼與美國(guó)工程師尼古拉·特斯拉的努力下，無(wú)線電通信由理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并迅速在軍用、民用領(lǐng)域大顯身手，徹底顛覆了人類固有的通信方式。與此同時(shí)，如今生活中常見(jiàn)的“大鍋”——利用發(fā)射與接收無(wú)線電波來(lái)測(cè)距定位的雷達(dá)天線，也初現(xiàn)雛形。

1932年，又一次的偶然發(fā)現(xiàn)改寫了天文學(xué)史，而做出這項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)的并不是一位天文學(xué)家。美國(guó)新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室無(wú)線電工程師卡爾·央斯基，長(zhǎng)期負(fù)責(zé)調(diào)查干擾越洋有線通信的背景噪聲來(lái)源。他采用了一組安裝在圓形轉(zhuǎn)盤上的天線（后稱為旋轉(zhuǎn)木馬天線），經(jīng)過(guò)1年多的監(jiān)測(cè)、記錄和分析，最終確定了干擾源為雷電現(xiàn)象。但細(xì)心的央斯基在明顯干擾信號(hào)之外，還發(fā)現(xiàn)了一種極其微弱的“嘶嘶”聲。起初，他認(rèn)為這個(gè)干擾信號(hào)來(lái)自太陽(yáng)，只是它的峰值出現(xiàn)時(shí)間每天都要比前一天提前一點(diǎn)。詳加分析后，他計(jì)算出這個(gè)無(wú)線電信號(hào)的重復(fù)周期是23小時(shí)56分4秒，恰好等于一個(gè)恒星日（以恒星為參考點(diǎn)度量的地球自轉(zhuǎn)周期），而不是一個(gè)太陽(yáng)日（以太陽(yáng)為參考點(diǎn)度量的地球自轉(zhuǎn)周期）。隨后，央斯基測(cè)得信號(hào)源指向太陽(yáng)系之外、銀河系中心的人馬座。地球上可以接收到來(lái)自外太空的無(wú)線電波，這個(gè)發(fā)現(xiàn)誕生時(shí)并沒(méi)有受到足夠的關(guān)注。央斯基本想申請(qǐng)資金制造更高性能的天線用以深入研究，卻因商業(yè)價(jià)值不高而被貝爾實(shí)驗(yàn)室否決。

央斯基無(wú)意中打開(kāi)了又一扇朝向宇宙的窗口。在地球表層之外，聚集著厚度達(dá)數(shù)千千米的大氣層，像溫室大棚的薄膜一樣保護(hù)著人類的居所，使其保持適宜的溫度、濕度以及躲避流星、隕石和宇宙輻射的危害。但大氣層同時(shí)也因其吸收和散射功能，阻擋了大部分宇宙電磁波抵達(dá)地表，只給人類留下了兩大窗口：可見(jiàn)光窗口和射電窗口。

姜鵬，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樯潆娞煳募夹g(shù)與方法。目前擔(dān)任“中國(guó)天眼”FAST總工程師兼常務(wù)副主任，全面負(fù)責(zé)FAST望遠(yuǎn)鏡調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)的相關(guān)技術(shù)工作。2015年入選“中國(guó)科學(xué)院關(guān)鍵技術(shù)人才”； 2017年入選“中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員”；2019年入選“第四批國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃青年拔尖人才”。目前已發(fā)表論文60余篇，獲得授權(quán)專利30余項(xiàng)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人先后主持國(guó)家“十一五”重大科學(xué)裝置子課題、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目10余項(xiàng)。

張燕波，畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)；愛(ài)好自然科學(xué)，專注于科學(xué)史，致力于科普創(chuàng)作；希望通過(guò)高質(zhì)量科普內(nèi)容，幫助當(dāng)代青少年豐富對(duì)自然科學(xué)的認(rèn)知、厘清科學(xué)發(fā)展脈絡(luò)、探尋其中的邏輯與原理，進(jìn)而樹(shù)立正確的科學(xué)史觀；為青少年架起由課本知識(shí)到科學(xué)實(shí)踐之間的興趣之橋?，F(xiàn)為自由撰稿人。