坐地遙尋探九天　“中國天眼”顯“神威”

飛翔的雄鷹可以在空中看到千米之外地面上的兔子．而我們?nèi)祟愔粦{肉眼很難看到同樣遠的兔子，原因之一是鷹眼瞳孔占眼球比例相對人眼更大，這樣鷹眼就可以在同樣的條件下分辨更小的物體，夜晚的天空有很多遙遠的星星，我們要想像鷹眼一樣分辨出它們，簡單來說就需要更大更靈活的“瞳孔”，在貴州，就有這樣一座可以幫我們坐地遙尋探九天的“中國天眼”——500 m口徑球面射電望遠鏡，簡稱FAST.

“中國天眼”的原理

我們?nèi)祟惸苤苯佑萌庋劭吹降墓庵皇怯钪嬷斜姸嘈盘柕囊恍〔糠郑钪嬷泻芏嘈盘柺且晕覀內(nèi)庋劭床坏降臒o線電波的形式存在的，在我們賴以生存的大氣層上有兩個可以觀察宇宙的“窗口”：一個是我們千百年來一直使用的可見光“窗口”，另一個是20世紀30年代才被人類認識的無線電波“窗口”．想要從無線電波“窗口”看出去，需要我們利用所掌握的物理知識去拓展我們的“視野”，科學(xué)家們研制的射電望遠鏡便是這樣一種可以看到宇宙中無線電波的特殊“天眼”，因為宇宙中的行星、恒星和星云這些發(fā)出無線電波的天體都距離我們非常遙遠，來自它們的無線電波就會非常微弱．所以射電望遠鏡需要非常大的“瞳孔”和極其靈敏的接收端，來收到足夠多的無線電波．

我們知道，光從一種介質(zhì)到達另一種介質(zhì)的界面時．一部分光返回原來介質(zhì)中，光的傳播方向發(fā)生了改變，這種現(xiàn)象稱為光的反射，而光的反射遵循光的反射定律，即反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)；反射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)；反射角等于入射角，在多種多樣的反射面里，有一種可以對光線有會聚作用的反射面叫作凹面鏡（圖1）．

平行光在凹面鏡的反射下可會聚到凹面鏡焦點的位置，利用這一規(guī)律人們制作出多種元件，例如激光聚焦元件、一些照明系統(tǒng)中的反射元件等，宇宙中的電磁波本質(zhì)上和我們看見的可見光一樣，如果我們將凹面鏡做成射電望遠鏡的反射面，且進一步增大反射面的面積，會聚更多的信號，同時在焦點布置一臺功能強大的信號接收機，那么是不是可以分辨更遙遠、更幽暗的天體發(fā)出的信號了？答案是肯定的．

“中國天眼”的建造及作用

雖然射電望遠鏡的基本物理原理比較簡單，可實現(xiàn)起來并不容易.1994年，南仁東教授就開始牽頭為“中國天眼”解決關(guān)鍵問題，要想建一個大面積的反射面。需要找到合適的地質(zhì)條件，且要遠離城市的干擾，南仁東教授團隊用12年時間從全國8000多個可選地點中選定了最優(yōu)的地質(zhì)條件。使得“中國天眼”的反射面可以建得足夠大，在解決了面積問題之后，隨之而來的難題是如何使反射面能實時對準運動著的觀測對象．如此大的“體格”讓“中國天眼”在運動上欠缺了一定的靈活性．由于世界上沒有先例，故需要從零開始設(shè)計．設(shè)計上，“中國天眼”獨創(chuàng)了索網(wǎng)，由6 670根鋼索編制而成，在索網(wǎng)上布置了4 450塊反射面單元，組成一整個大反射面，索網(wǎng)就像靈活的“肌肉群”一樣，通過索網(wǎng)的形狀變化，使“中國天眼”的“瞳孔”可以多自由度地改變角度和位置，靈活地收集、跟蹤宇宙中的信號．

“中國天眼”的反射面有30個足球場那么大．巨大的面積使其能一眼“看穿”137億光年，經(jīng)過我國科研團隊不懈的努力，“中國天眼”于2020年在貴州平塘縣正式投入使用，在使用的過程中，維護成了一個棘手的問題，受到裝置巨大、作業(yè)風(fēng)險高、氣候極端等因素影響，人工維護效率難以提高，稍有不慎，還可能造成破壞，為了解決維護工作與科學(xué)觀測之間的矛盾，中國科學(xué)院國家天文臺、哈爾濱工業(yè)大學(xué)牽頭成功研發(fā)了“FAST運行維護作業(yè)機器人系統(tǒng)”，實現(xiàn)了全自動化維護．此外，“中國天眼”的反射面上還密布著無數(shù)的孔洞，這些孔洞既可以減輕大風(fēng)對整個裝置的影響．也可以提高透光率，讓裝置下面的草木能夠繼續(xù)生長，避免水土流失．

2021年，“中國天眼”正式向全球天文學(xué)家征集觀測申請，這一年，“中國天眼”觀測時長遠超預(yù)期，超5 300 h．“中國天眼”一共發(fā)現(xiàn)約900顆脈沖星，是國際上同時期其他射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星總數(shù)的3倍以上，同時，“中國天眼”也在星際磁場測量中取得了重大進展．“中國天眼”運行與發(fā)展中心首席科學(xué)家、第十七屆馬塞爾，格羅斯曼獎獲得者李藥評價這個進展：“這個工作突出的地方在于發(fā)展了一個新的觀測手段，為系統(tǒng)性測量分子云和中間的磁場打開了局面，‘中國天眼’洞見了宛若游龍的星際磁場，浸潤于協(xié)睦磁場波紋中的分子云必將誕生新的恒星，而宇宙中的一切誕生都有微弱的回響，‘中國天眼，能夠非常好地捕獲這樣的回響，”在可預(yù)見的未來，“中國天眼”將在快速射電暴起源與物理機制、中性氫宇宙研究、脈沖星搜尋與物理研究、脈沖星測時與低頻引力波探測等多個重要方向貢獻出更多重大的科學(xué)成果，“中國天眼”正在幫助全人類仰望星空．

最后分享給大家一個好消息，目前“中國天眼”正在籌劃每年對我國的青少年開放50 h．征集大家的好想法，希望能在青少年的心中種下科學(xué)的種子，支撐起未來遠征星辰大海的夢想．

[小縮有話說]

以上文章中提到了“電磁波”的概念，這是同學(xué)們九年級會學(xué)到的一個重要內(nèi)容．我們生活中常聽到的X射線、紅外線、無線電波等，都和可見光一樣，屬于電磁波大家族．所有電磁波在真空中傳播的速度都是一樣的，約為3.0×108m/s.

同學(xué)們可能會產(chǎn)生疑問，光怎么會是波呢？我們在學(xué)習(xí)“聲現(xiàn)象”的時候，已經(jīng)將聲波與水波進行了類比，從而形象地認識了聲波．既然科學(xué)家們將光稱作一種波，是不是意味著光也具有水波、聲波那樣的性質(zhì)？答案是肯定的，這可實在是顛覆我們的直覺了！

在高中階段的物理學(xué)習(xí)中，同學(xué)們會學(xué)習(xí)到關(guān)于光的本質(zhì)的問題．到時候同學(xué)們可以看到，歷史上的科學(xué)家們是如何利用巧妙的實驗觀察到光具有波的性質(zhì)的．

事實上，科學(xué)家們關(guān)于光的本質(zhì)的探索持續(xù)了幾百年，促使人類對世界的認識不斷更新，在20世紀，物理學(xué)開始邁入量子新紀元．