射電望遠(yuǎn)鏡折射的中國(guó)科研

85歲的中科院院士葉叔華盼了18年，終于等到了親手為65米口徑射電望遠(yuǎn)鏡剪彩的這一天。2012年10月28日，總體性能名列全球第四、亞洲第一的射電望遠(yuǎn)鏡在上海佘山落成。這意味著，中國(guó)的天文學(xué)家從此可以在本土接收到來(lái)自火星的無(wú)線電波信號(hào)了。

早在1994年葉叔華就提出，中國(guó)應(yīng)該新建一個(gè)65米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，以提高我國(guó)的深空探測(cè)能力。但是，由于資金遲遲不能解決，她的這一提議直到2008年才得以落實(shí)。“最近幾年，由于國(guó)家對(duì)科技的大量投入，才使得我們有機(jī)會(huì)最終建成這個(gè)項(xiàng)目。”上海天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)陸曉峰表示，整個(gè)項(xiàng)目從正式開(kāi)工到落成，只用了兩年多，只是國(guó)外同類(lèi)項(xiàng)目建設(shè)時(shí)間的五分之一。

“建設(shè)大型射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，是一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力的體現(xiàn)。”上海65米口徑射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目首席科學(xué)家沈志強(qiáng)說(shuō)，大口徑射電望遠(yuǎn)鏡是一項(xiàng)高技術(shù)產(chǎn)品，對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、工業(yè)控制、超級(jí)計(jì)算、信息處理等都提出了很高的要求。本次工程就涉及了數(shù)十項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的落成，也標(biāo)志著中國(guó)在該領(lǐng)域的工業(yè)制造能力達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

擁有“亞洲第一”，坐望“世界第一”

實(shí)際上，中國(guó)急劇增長(zhǎng)的科研實(shí)力在天文學(xué)上的最好體現(xiàn)，還不止于此，而是位于距上海數(shù)千公里之外、貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣一個(gè)人跡罕至的大山坳里。這個(gè)在建的、面積足有30塊足球場(chǎng)那么大的巨型射電望遠(yuǎn)鏡（英文簡(jiǎn)稱(chēng)FAST），預(yù)計(jì)將于2016年完工，屆時(shí)將成為世界上單個(gè)最大的射電望遠(yuǎn)鏡。在此之前，美國(guó)在波多黎各建造的阿雷西沃天文臺(tái)是這一桂冠的擁有者，其直徑為305米。而位于貴州的這座直徑達(dá)500米的FAST，將至少可以觀察3倍于阿雷西沃的太空深度，它勘察天空的速度也將是阿雷西沃的10倍。

射電望遠(yuǎn)鏡之于天文學(xué)家，比顯微鏡之于生物學(xué)家更重要。根據(jù)觀測(cè)手段的不同，天文學(xué)大致可分為光學(xué)天文學(xué)、射電天文學(xué)、X射線和射線天文學(xué)等。自1608年第一塊光學(xué)望遠(yuǎn)鏡發(fā)明以來(lái)，光學(xué)天文學(xué)因?yàn)槠涑墒斐潭群退〉玫某删停灾劣谝欢瘸蔀樘煳膶W(xué)的同義詞。而射電天文學(xué)利用射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體的無(wú)線電波段的輻射，這一學(xué)科是在1940年代第二次世界大戰(zhàn)后才發(fā)展起來(lái)的。盡管年輕，但射電天文學(xué)卻很快就步入了繁榮期。1960年代，射電天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)——脈沖星、星際分子、微波背景輻射和類(lèi)星體的發(fā)現(xiàn)，是整個(gè)20世紀(jì)中最耀眼的天文學(xué)成就。

“歷史上，大型天文望遠(yuǎn)鏡的建成，總會(huì)帶來(lái)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。”談到中國(guó)新建和在建的諸多項(xiàng)目，北京天文館館長(zhǎng)朱進(jìn)對(duì)FAST充滿期待。除了上海與貴州的這兩個(gè)新項(xiàng)目，新疆110米口徑射電望遠(yuǎn)鏡也在進(jìn)一步論證中。按北京大學(xué)天文系教授吳鑫基的說(shuō)法，射電望遠(yuǎn)鏡是重大天文發(fā)現(xiàn)的發(fā)祥地和諾貝爾獎(jiǎng)的搖籃。自1970年以來(lái)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)已經(jīng)有9次頒給了天文學(xué)領(lǐng)域，而射電天文學(xué)就獨(dú)占了4次。因此，多個(gè)大型射電望遠(yuǎn)鏡的興建，對(duì)于中國(guó)天文學(xué)界來(lái)說(shuō)，無(wú)疑預(yù)示著一個(gè)黃金時(shí)代的到來(lái)。

對(duì)“燒錢(qián)”的學(xué)科加大投入

今年8月，素有“天文學(xué)的奧運(yùn)會(huì)”之稱(chēng)的國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)（IAU）首次在北京召開(kāi)，國(guó)家副主席習(xí)近平出席這次大會(huì)并發(fā)表了演講。當(dāng)時(shí)，與會(huì)的國(guó)家天文臺(tái)研究員陳學(xué)雷就表示，這樣高規(guī)格對(duì)待一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議，說(shuō)明中國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人對(duì)天文學(xué)的重視。

而這樣的重視，也只是最近幾年才有的事情。天文學(xué)家、中科院院士方成算過(guò)一筆賬：在2004～2011年的7年間，中國(guó)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值年均增長(zhǎng)率達(dá)9%，到2011年達(dá)47萬(wàn)億元人民幣；與此相應(yīng)地，國(guó)家自然科學(xué)基金的預(yù)算增長(zhǎng)了6.6倍，2011年的經(jīng)費(fèi)有近150個(gè)億。其中，對(duì)天文學(xué)的投入增長(zhǎng)了5倍，2011年超過(guò)1個(gè)億。整個(gè)中國(guó)天文學(xué)界從科技部、教育部、中科院和自然科學(xué)基金委等機(jī)構(gòu)得到的研究經(jīng)費(fèi)是10年前的10倍。

方成為天文學(xué)界算的這筆賬，實(shí)際上是中國(guó)加大對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究投入的整體策略在這一具體領(lǐng)域的體現(xiàn)。2011年5月23日，科技部、教育部、中科院、工程院和自然科學(xué)基金委等單位，共同召開(kāi)了全國(guó)基礎(chǔ)研究工作會(huì)議，這是繼1989年、2000年以來(lái)的第三次全國(guó)性基礎(chǔ)研究大會(huì)。科技部基礎(chǔ)司司長(zhǎng)張先恩在會(huì)上表示：近10年來(lái)中國(guó)基礎(chǔ)研究快速發(fā)展，正在由“量”的增加向“質(zhì)”的提升轉(zhuǎn)變。載人航天、青藏鐵路、南水北調(diào)等重大工程成功的背后，是基礎(chǔ)研究的長(zhǎng)期積累和多學(xué)科的綜合交叉。

方成指出，相比新中國(guó)成立的前50年，最近十來(lái)年，是天文學(xué)發(fā)展最快的時(shí)期。而這與中國(guó)的國(guó)力增強(qiáng)不無(wú)關(guān)系。天文學(xué)是以觀測(cè)為主的學(xué)科，而觀測(cè)的范圍和結(jié)果，在很大程度上取決于設(shè)備。換句話說(shuō)，天文學(xué)是門(mén)“燒錢(qián)”的學(xué)科，沒(méi)有錢(qián)建造大型天文觀測(cè)工程，就不可能取得重大成果。新建成的上海65米射電望遠(yuǎn)鏡即是佐證，該項(xiàng)目斥資2.18億人民幣，而貴州的FAST項(xiàng)目，總投資將超過(guò)人民幣6億元。

中國(guó)航天技術(shù)的快速發(fā)展，也是促使天文學(xué)突飛猛進(jìn)的重要推力。在上世紀(jì)90年代之前，射電望遠(yuǎn)鏡在中國(guó)還是“稀罕物”，其中最重要的就是葉叔華主導(dǎo)建設(shè)的上海25米口徑射電望遠(yuǎn)鏡。而在1995年之后，云南、新疆、北京等地相繼建起了3臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)時(shí)建這些望遠(yuǎn)鏡的目的，就是為繞月探測(cè)工程服務(wù)。此次落成的上海65米口徑射電望遠(yuǎn)鏡，其最重要的作用之一，就是為未來(lái)的探月工程提供更加精確的測(cè)定軌服務(wù)。

五個(gè)天文學(xué)系的學(xué)科基礎(chǔ)

盡管中國(guó)天文學(xué)正在奮起直追，但與國(guó)外相比，仍然存在很大的差距。國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)蘇俊在2011年做了一次梳理：1960年代末，中國(guó)第一次有了自主研制的60厘米口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；1980年代末，研制出2.16米口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。2009年，4米通光口徑的“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡”研制成功。與美國(guó)在各個(gè)時(shí)期建造的世界最大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相比，中國(guó)的同類(lèi)項(xiàng)目都落后了60～70年。此外，中國(guó)至今還沒(méi)有一顆空間天文衛(wèi)星上天，至少在幾年后才能建成使用的FAST，也比美國(guó)的阿雷西沃望遠(yuǎn)鏡晚了半個(gè)世紀(jì)。

為此，目前中國(guó)天文界還在醞釀幾個(gè)大的工程：將于2020年建造的中國(guó)空間站，它的上面將安裝口徑2米左右的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和太陽(yáng)高能輻射探測(cè)設(shè)備；口徑110米的射電望遠(yuǎn)鏡；口徑20米～30米的光學(xué)一紅外望遠(yuǎn)鏡；南方大面積天區(qū)多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡；中國(guó)巨型太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡等等。

對(duì)于國(guó)內(nèi)已建成和正在籌劃中的這些望遠(yuǎn)鏡，陳學(xué)雷表示，“老實(shí)說(shuō)也有點(diǎn)擔(dān)心：其實(shí)我們的人才、資金和技術(shù)都還有限，這些計(jì)劃中的望遠(yuǎn)鏡真的都能及時(shí)建成并取得成果嗎？”

陳學(xué)雷的擔(dān)心恰是基于一些基本的事實(shí)。2001～2010年的10年間，中國(guó)基礎(chǔ)研究投入總量的絕對(duì)值一直呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，但根據(jù)國(guó)防科技大學(xué)副教授楊?lèi)?ài)華的研究，相比國(guó)家研發(fā)經(jīng)費(fèi)總量高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)的增長(zhǎng)速度卻相對(duì)緩慢，而且投入強(qiáng)度缺乏穩(wěn)定性。

學(xué)者們的呼聲在今年2月發(fā)布的《國(guó)家基礎(chǔ)研究發(fā)展“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》中得到了體現(xiàn)。該《規(guī)劃》承認(rèn)，在“十一五”期間，基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)占全社會(huì)研發(fā)經(jīng)費(fèi)的比例仍然偏低，因而明確提出，未來(lái)五年，將逐步提高基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)投入在全社會(huì)研發(fā)經(jīng)費(fèi)的比例，形成全社會(huì)支持基礎(chǔ)研究的新局面。

大型天文望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)并不是學(xué)科發(fā)展的全部。陳學(xué)雷說(shuō)，“由于中國(guó)過(guò)去沒(méi)有錢(qián)建大型設(shè)備，所以研究理論的人多，做實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的人少；而現(xiàn)在硬件迅速建起來(lái)了，卻沒(méi)有足夠的人才儲(chǔ)備，這是業(yè)界目前面臨的一個(gè)問(wèn)題。”長(zhǎng)期以來(lái)，全國(guó)只有北京大學(xué)、北京師范大學(xué)、南京大學(xué)和中國(guó)科技大學(xué)4所高校可以培養(yǎng)天文學(xué)本科生。直至今年，廈門(mén)大學(xué)的加入才使這一數(shù)字增加到5家。在這種情況下，國(guó)內(nèi)天文學(xué)人才的培養(yǎng)，主要依靠幾家天文臺(tái)，而在國(guó)外，高校普遍設(shè)有天文學(xué)系。不過(guò)，隨著中國(guó)對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究投入的加大，天文學(xué)，這個(gè)探索宇宙奧秘、神秘的學(xué)科，有望吸引更多的人才。