射電天文學在中國的爆發

今日世界千變萬化，講話得分外小心，否則很容易鬧笑話。上月底我對一群商學院的校友介紹過去一個世紀宇宙論的飛躍發展，“想當然”地加了一句：這一切雖然精彩萬分，但看來沒有任何實用價值，所以國人絕少感興趣，科研投入更是空白一片。當時前排有一位學員很禮貌地輕輕嘟囔“不是的，不見得……”，我沒有在意，他也不好意思繼續發揮。短短一星期后，報上刊登出全球排名第四（在亞洲則排第一）的上海65米口徑射電望遠鏡落成的新聞，證明自己孤陋寡聞，大錯特錯，但后悔已晚，因為課程已經結束，要更正也來不及了！

但即使是“想當然”，我的直覺為什么會錯得那么離譜，其根源到底何在？這倒要好好研究，好好惡補一下。其實，只要看看排在前五六位的同類望遠鏡（所謂指向完全可調控的單碟射電望遠鏡totally steerable single-dish radio telescope，即鍋底狀的巨型無線電波接收或者發射天線）是何時何地落成，中國又是從何時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賽的產物。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）望遠鏡。它曾經一再被用作美國太空計劃的通訊天線，包括接收信號和發射重要指令；它又是西方國家監測蘇聯太空計劃一舉一動的間諜天線，曾經接收蘇聯無人登月器Lunar 9所發送的月球表面圖片，甚至將之在報上搶先發表！至于排第四的，其實還輪不到10月落成的上海大鏡，而要數美國太空總署（NASA）在澳洲首府堪培拉近郊所建立的太空遠程通訊中心（CDSCC）大鏡，它在1965年落成，口徑本來只有64米，但在1987年擴展到70米。其實，在1960年代，這中心一共設有3個太空跟蹤站之多，它們都是為美國阿波羅登月計劃和其他太空探索計劃的通訊需要服務的，計劃完成后，跟蹤站隨而關閉，只有這70米鏡和蘇聯在克里米亞地區的Yevpatoria 70米鏡（它的特點是具有極大發射功率）一樣，成為那個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64米口徑帕克斯Parkes射電望遠鏡，它在1961年落成，本意雖然是為天文研究，事實上也多次在美國阿波羅計劃和其他太空計劃中擔任通訊接收天線任務。由此可見，射電望遠鏡一方面是研究物理天文學和宇宙學的儀器，但更是推動太空計劃不可或缺的基礎通訊設備，以及了解、窺探、監測其他國家太空計劃、設施的基本手段。換而言之，也可以說是太空競賽的產物。

從這角度看，中國射電天文學的發展軌跡就很清楚了。它基本上分為兩個階段：從改革開放以至20世紀末那20年可以視為起步和學習階段，它以學術研究為主，而頗受資源和技術能力限制。例如，科學院在北京密云設立射電天文觀測站是60年代的事情，到1985年方才建成以28臺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”的一個元素，參與國際合作；科學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，中國已經積蓄足夠經濟和技術力量，在嫦娥探月計劃（2003年正式啟動）的強大刺激下，在過去10多年間，射電天文學就迎來一個爆發性階段了。它的主要標志是密云的50米大鏡在2002年設計，2003年選址，2004～2005年組件安裝，2006年和昆明鳳凰山的40米鏡同時落成；它們的主要用途除了原來設想的脈沖星觀測以外，就是負擔與登月計劃特別是嫦娥一號和二號相關的通訊任務。

至于上海65米大鏡在2008年立項，2012年落成，則可以視為這第二階段的完成，因為它連同畬山（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臺口徑大致相當的射電望遠鏡，正好構成一個立足中國本土，整體口徑達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：通過將這些散處遠距離的望遠鏡同時接收到的無線電信號，以原子鐘調校到同步而相互比對參照（也就是所謂“干涉”），那么整個系統對于所接收信號的方向的分辨能力，原則上將與一個口徑兩三千公里那么大的射電望遠鏡相當。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），那么這干涉儀對來自月球那樣距離（約40萬公里）的信號，其空間位置分辨能力大約可以達到5米左右—因為我們知道望遠鏡的角度分辨能力大致等于信號波長與望遠鏡口徑比例的1.22倍。這樣的方位分辨能力對于登月器位置的測定、控制和調整，大體上已經足夠。當然，它是可以通過應用更短的無線電波，或者更長的干涉儀基線，而改進的。無論如何，從以上射電望遠鏡發展的簡略歷史可見，毋庸諱言，西方和中國的射電天文學發展，都和太空競賽有千絲萬縷的關系，甚至說在某一階段是由其拉動也不為過。換而言之，射電天文學的技術和太空計劃是孖生兄弟，因此具有極為現實的意義，那是我“想當然”之際所完全忘掉了的。

不過，這倒也不能夠說是真相的全部，因為科學可以從原理走向實際，也同樣可以因實際發展而反饋純粹學術。例如，德國的艾浮斯堡100米大鏡，就始終是完全為學術服務。同樣，中國科學院也并沒有以最近10來年的發展為滿足，而是在國家大力支持下，雄心勃勃地更進一步，爭取全球射電天文學領先地位。這可以從已經向全世界公開宣布的兩個最新發展看出來。其一是已經在貴州大窩凼一處克斯特（Karst）球形低洼地動工建造，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，預算7億人民幣，2011年動工，預計2016年落成，構想 和美國波多黎各300米Arecibo射電望遠鏡相同，但規模更大，設計更先進精良，落成后無疑即將取代后者已經保持了半個多世紀的龍頭地位。其次，2012年11月底在烏魯木齊所召開的一個大型國際會議，正在論證一臺110米口徑全方位可控單碟大望遠鏡的構想，它計劃投資16.5億人民幣，將坐落新疆東部的奇臺縣石河子村（因此稱為QTT，奇臺望遠鏡），預計2020年底落成。很顯然，從規模和設計看來，它也同樣是要取代美國Green Bank100×110米橢圓鏡已經維持了60年的老大哥地位。

關于這兩個設計或建造中的巨大望遠鏡，還有幾個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定遠方信號的位置，那基本上是由眾多望遠鏡所組成的“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（例如宇宙形成之初的各種信號），因為信號收集能力是與望遠鏡的面積亦即其口徑平方成比例的。其次，這兩個耗資十數億的巨大計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、更精良的技術來全面提高、改進這些儀器的效能。舉個例子，由于過去數十年自動化技術的飛躍進步，所以這些新望遠鏡的鏡面都已經不再是半個世紀之前那些以靜態鋼筋鑄造的網狀曲面，而是由數千塊各自以傳感器和計算機自動調節其位置和取向的金屬面板，這樣無論風速、溫度、整體指向如何，望遠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。因此它各方面的性能比之以前，是不可同日而語的。最后，中國雖然對這些巨大計劃投入大量人力和資源，但發展方式與策略卻并非著重獨力推動，而一直強調全面的國際合作和參與。事實上，開放和國際化可以說是它的主導精神。在這個意義上，我們也許可以期待，射電天文學在21世紀的“爆發”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，以及射電探測技術等各個前緣學科的新紀元。</