“天眼之父”南仁東：夢想與堅守

吳麗瑋

一個充滿想象力的科學家和他23年守望夢想的故事。

天文學家的想象力

9月15日，72歲的南仁東在美國治療肺癌時去世。“他說，如果有一天他真的不行了，他就躲得遠遠的，不讓我們看見他。”FAST工程調試組組長姜鵬回憶說，這可能就是南仁東的性格，希望保持著最有尊嚴的形象。

姜鵬來天文臺面試的時候，并不知道南仁東是誰，“只是感覺到他強大的氣場，一看就是‘頭兒，甚至有點像‘土匪頭兒”。從上世紀90年代開始籌劃FAST項目時，南仁東就一直留著一撮小胡子，過了20多年，頭發和小胡子都已變得花白。在工地上他隨意地穿著大汗衫，鼻梁上架著近視鏡和老花鏡，回北京又變回了時髦老人，有時候回到校園給研究生上課，他會穿花襯衫和牛仔褲，有一次還穿了條很潮的皮褲。“出國參加學術會議也很注重形象，要帶一箱子衣服去。”FAST工程辦公室副主任張海燕說。

群山之中的FAST工程（攝于2016年9月24日） ?

南仁東是1963年吉林省的高考理科狀元，考入清華大學無線電系，“文革”之后，在北京天文臺讀天體物理的研究生。他是一個愛好藝術和哲學的科學家，尤其喜歡畫畫，在日本國立天文臺訪學期間，創作了一幅油畫《富士山》，至今仍掛在該校教學樓的大廳里。“有一次我問他，為什么反射面周圍的六座百米支撐塔要等間距排布，打亂排不是能減少很多工作量嗎？結果他就一句話，‘那樣不好看。別看他忙，但做PPT特別講究，有一次開完會其他單位的人問我，你們是請專人幫忙設計PPT嗎，怎么版式那么好看？其實都是南老自己做的。”FAST工程副經理張蜀新向本刊回憶道。

“也許是因為喜歡藝術，他和一般科學家不太一樣，想法不受拘束，很有想象力，經常會冒出很多創新點出來。”FAST工程接收機與終端系統高級工程師甘恒謙對本刊記者說。

數千塊單元組成的球面主動反射面技術是由南仁東主導的FAST最大創新點之一。主動反射面技術在以往的射電望遠鏡中雖已有應用，但都用在小范圍的改變上，目的是通過改變單元反射面的位置來保持整個反射面的拋面形狀，而FAST的反射面要進行大范圍的運動，每一個單元反射面的作用是要將球面改成拋物面，通過主動的變形實現對天體跟蹤式的觀測。而要實現這種跟蹤觀測，對反射面上空的饋源艙定位精度要求很高。目前規模世界第二的美國阿雷西博射電望遠鏡球面口徑為305米，由100米高的三座鐵塔支撐著一個重達500噸的三角形平臺和可移動饋源臂，以及下方懸掛著的重75噸的圓屋組成饋源艙，“305米口徑的望遠鏡，這個平臺的長度大概在百米量級，如果我們500米口徑的望遠鏡仍然采用這種結構，平臺長度至少要達到250米，這個不太現實。”甘恒謙介紹說，FAST的饋源艙使用了名為“輕型索拖動饋源支撐系統”的新設計方案，由六座支撐塔吊起六根鋼索，通過索長度的收放，調節饋源接收機與發生形變的反射面之間的相對位置關系，實現高精度定位。FAST的饋源艙平臺重量僅為30噸，移動起來非常靈活，與德國波恩100米望遠鏡相比，FAST的靈敏度提高約10倍，與阿雷西博望遠鏡相比，其綜合性能也提高了10倍。

當時他們做過幾個饋源支撐縮尺模型試驗，饋源艙的指向一直不能達到最大的觀測角要求。“由于饋源艙是由塔上的鋼索拉動的，角度始終趨向于水平狀態，如果達不到40度的角度，就看不到銀河系的中心。”甘恒謙說，南仁東很有想象力地提出，在饋源艙周圍加一圈流體或半流體的“水環”，流體受到重力影響集中在某一方向，這樣可以有效補償姿態控制的不足之處，會使饋源艙的角度發生相應變化。不過后來通過與德國科學家的合作，FAST最終采用了鋼索牽引驅動的輕量化柔性饋源支撐模式，“水環”的方案沒有被采納，但南仁東的想象力確實讓項目組其他成員印象深刻。

與傳統射電望遠鏡采用獨立分塊反射面單元技術不同，FAST主動反射面的主要支撐結構采用了創新性的索網技術，2002年FAST技術年會上，南仁東第一次正式提出這個概念。“我問南老師，原來的技術應用很成熟了，為什么要改？他說：‘很簡單，因為省錢。反射面放在索網上面，坑的弧度要求就沒那么高了，不然工程耗費會非常大。”甘恒謙說。

但索網的制造和安裝難度相當大，首先是鋼索結構超高疲勞性能的要求。索構建疲勞強度不得低于500MPa，他們從知名企業購買了十余種性能最好的鋼索結構進行疲勞試驗，結果令人意外的是沒有一家符合FAST的要求。當時是2010年，臺址開挖工程已經開始，姜鵬告訴本刊，原本臺址挖好時，設備基礎工程就應該同時做完，但鋼索疲勞問題沒有解決，反射面的結構形式就無法確定，設備基礎工程便無法開展。

“一開始并沒有想到尋找合適的鋼索材料會面臨如此大的困難，”姜鵬說，“當時南老壓力太大了，在兩年內，幾乎總是寢食難安，這是FAST項目遭受到的最大的一次危機。”在想解決方案時，南仁東又開始了他天馬行空的想象。“他甚至提出用彈簧作為彈性形變的載體，來解決索疲勞問題，我覺得很不可思議，最后拿出一個終極版的彈簧方案，目的是說服他，如果這個方案不行，其他彈簧方案也不用考慮了。但他這么說，其實是希望大家都能發散思維，提出更多的新方案出來。我記得當我在黑板上把圖畫完之后，他簡單地問了幾個問題，之后就沉默了許久，我甚至不記得會議是怎么結束的，只記得當時出奇的安靜。當我們都離開會議室時，他仍然站在黑板前，背著手看我畫的圖，那時我覺得他有點無助，像個孩子。”

FAST對鋼索結構的性能要求已經遠超國內外相關領域的規范，因此沒有任何一家企業能夠提供相關產品，南仁東等人只能將方向轉向鋼索的研制中。與國家天文臺在FAST工程項目上進行合作的科研、工程單位有幾十家，但研究索疲勞問題的卻寥寥無幾。唯一對此做過實驗的是鐵道部科學研究院，但溝通之后發現并無可借鑒的經驗，FAST必須從頭開始解決材料的問題。“當時對索疲勞問題有很多不同看法，有人認為是摩擦腐蝕的問題，有人認為是錨固技術的問題”，姜鵬回憶說，因為無法確定問題的根源，所以研制工作要在涂層改善、錨固技術等幾個方向上同時開展，在兩年的時間里，經歷了近百次的失敗，幾乎每一次的實驗，南仁東都親臨現場，溝通改進措施。他們請來上海、南京等地的十幾家單位以及國外索結構的頂級專家一起評審，同時也幸運地找到一家既懂技術、又有經驗，同時愿意配合的廠家，在工藝控制上為FAST提供經驗和產品，最終鋼索結構才終于被研制出來。endprint

對FAST項目23年的堅持

1993年，東京召開國際無線電科學聯盟大會，籌劃21世紀初的射電天文學發展藍圖。包括中國在內的10國天文學家分析了射電望遠鏡綜合性能的發展趨勢，為觀測不同宇宙距離上的中性氫提出了建造下一代大射電望遠鏡LT的倡議。這項計劃在1999年改名為SKA，是一個總接收面積1平方公里的射電陣。科學家們期望，在電波環境徹底被破壞之前，可以弄清宇宙結構是如何形成和演化至今的，只有大射電望遠鏡才能幫助人類實現這一夢想。如果失去了這個機會，人類就只能到月球背面去建造同樣口徑的望遠鏡了。

1994年，當時年近50歲的南仁東開始主持國際大射電望遠鏡計劃的中國推進工作。他提出，利用我國貴州省的喀斯特洼地作為望遠鏡臺址，建設巨型球面望遠鏡作為國際一平方公里陣（SKA）的單元。最終這項計劃落戶美國，于是南仁東就提出一個大膽的方案，在中國建造直徑500米、世界上最大的單口徑射電望遠鏡，這項計劃的英文名為Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，英文縮寫為FAST。

當時中國最大的射電望遠鏡口徑只有不到30米，這樣的設備美國早在100年前就已經擁有了，而缺少設備就很難會有科學發現的機會，因此中國天文學界的國際影響力并不高。“500米口徑在當時是一個非常非常超前的想法，南老師能提出這樣的概念，跟他當時在國際學術交流中的廣闊視野關系很大。”甘恒謙說。

80年代，北京天文臺派南仁東去荷蘭訪學，在那里，他使用國際甚長基線干涉測量技術（VLBI）對活動星系核進行系統觀測研究，在這一領域的早期發展階段，主持完成歐洲及全球網十余次觀測，首次在國際上應用VLBI“快照”模式，取得了豐富的天體物理成果。他所掌握的VLBI技術混合成圖達到了當時國際最高動態范圍水平，建立國內相關圖像處理中心，在80年代使國內進行VLBI數據分析成為可能。隨后，他又到日本做客座教授，幫助VSOP項目解決衛星-地球VLBI的成圖難題。

“現在看來，南老師的想法是很有遠見的。現在SKA一期工程仍然在建，建成之后和FAST的面積差不多大，之后的二期工程還需要10至20年時間，我們是抓住了這樣的一個窗口期。”張蜀新說。

從提出這一構想到2007年正式立項，一切都是未知數。與南仁東共事多年的韓金林向本刊回憶說，90年代是科技人員最為困難的時期。“國家鼓勵科技人才下海，我們是國內搞無線電最厲害的一群人，其中有一半人跑去中關村賣電腦，堅守的人工資是每個月100塊，賣電腦每個月1000塊。”在當時連發工資都很困難的時期，仍然堅持如此宏偉的一個科學夢想，足見南仁東堅定的信念。“2007年立項時，我們團組只有7個人。天文學是一個很小的學科，也是一個基礎學科，不可能帶來直接的經濟效益，想獲得國家的大力支持并不容易。其實他也很急，但他總是跟我們說，只要把前期預研工作做充足，總會有機會。”張海燕說。

作為FAST這樣一個涉及領域極寬的大科學工程的首席科學家和總工程師，南仁東從天文學研究變成了懂力學、機械、結構、電子學、測量與控制、巖土等等的“戰術型老工人”。動工時要建一個水窖，施工方送來了設計圖紙，他迅速指出了幾處錯誤。現場的六根百米支撐塔分別建好后，他總是第一個爬上去，幾十米高的圈梁建好了，他也是第一個上去，“連螺絲擰得好不好他都十分懂得”。

“他總是無時無刻不在學習，我們都很佩服他，什么都懂。”張海燕說。FAST流傳一個段子，一個來面試的小伙子說自己不會英語，學的是俄語，于是面試官南仁東就用俄語問他問題，小伙子又說自己會日語，南仁東又接著用日語問他問題。“小伙子很驚訝，我們告訴他，虧得你沒說會西班牙語，老爺子會用西班牙語繼續問你問題。”

他是FAST項目組里最忙碌的一個人。FAST工程饋源支撐系統副總工潘高峰告訴本刊，如果出差沒有網絡的時候，他就會坐立不安，“因為沒辦法處理郵件，他每天要處理上百封來自國內外的郵件”。在貴州克度鎮大窩凼施工現場，他也總是沖在最前面。“臺址勘察的時候，他已經65歲了，跟年輕人一起在沒有路的大山里攀爬。在去周邊最陡峭的一個山頂時，大家都勸他在山下等著，但他非要跟我們一起去。看到南老師這么大歲數都要親自上去，搞得幾個設計院老總也不好意思了，都跟著爬了上去，其中一個院長還穿著西裝皮鞋。”

每一次南仁東到貴州施工現場，都要給工作人員帶去好吃的，有一次帶了很多水果，告訴他的同事，要分一些給一線的施工工人們。他看來工地施工的工人生活非常貧困，就悄悄打電話給現場工程師，了解工人們的身高、腰圍。等他再來貴州時，打開隨身的大箱子，里面都是給工人們買的T恤、休閑褲和鞋子。他跟工人們說，是跟老伴在市場里挑的，很便宜，希望大家不要嫌棄。“他在現場與工人打成一片，很難想象一個大科學家在簡陋的工棚里與他們家長里短，他記得許多工人的名字，知道他們干哪個工種，知道他們的收入，知道他們家里的瑣事，他對工人的那種尊敬，要不是親眼見過，絕對難以想象。”姜鵬說。

在距離FAST建成一周年還有10天時，南仁東離開了人世。“南老師20多年只做了這一件事。”他的同事和學生們都這樣說。在進行更多的調試之后，由南仁東主持建設的FAST項目，將在中性氫、脈沖星、分子譜線、VLBI和地外智慧文明搜尋等五大科學領域進行探索，從一個天文學家23年堅守的樸素夢想，到成為天文學界獨一無二的國之重器，FAST未來將實現更多的天文學突破。endprint