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来自 科技知识 2019-10-13 09:03 的文章
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《中华夏族民共和国天眼·南仁东传》:南仁东怎

​从南仁东提出要使用VLBI混合成图技术测试开始,到1984年就主持完了欧洲及全球的十多次观测了,成为了天文领域的世界顶级天文学家。此后南仁东又在日本举行了无线电大会,并提到现在无线电波的环境越来越恶劣,所以需要赶紧建造新一代的射电望远镜。

南仁东登上建设中的“中国天眼”。中国科学院国家天文台提供

天文学是人类最古老的自然科学,因掌握天时才有农耕时代。中国因古代天文学发达而创造了世界上最辉煌的农业文明。直到大航海时代,凝聚着中国天文智慧的罗盘,仍指引着郑和、哥伦布去打开大海之门。哥白尼、伽利略用光学望远镜观天,由此催生的科技进步竟开启了工业时代。若不信,再看看牛顿,他写过《光学》,还发明了反射望远镜,他的万有引力定律也是从天文学分娩出来的。

如果晚上你抬头看看星空的话,就会感叹宇宙之大,显得自己是多么渺小。而人类对于外星球的好奇,对外太空的想象,让很多有着太空梦想的人成为了天文学家,甚至是奉献了一生。被我国称为“天眼之父”的南仁东就为我国的“外太空研究”事业奉献了自己的一生,并做出了巨大的贡献。曾有国家出资300倍的高薪聘请,也没有打动南仁东。

2011年9月18日,大窝凼现场,南仁东与施工人员交流。中国科学院国家天文台提供

那时没有人会想到,20多年后,一个世界最大的500米口径射电望远镜会出现在中国贵州。它标志着中国在天文第三时代挺进到了世界天文的前沿。南仁东用自己的全部生命换来了它。当然,缔造它的还有成千上万的科研人员、工人和中国悠久的文化精神,它是当今中国综合国力的体现。

​所以南仁东随后就回国建造我国自己的射电望远镜,开始南仁东提出了500米口径的望远镜概念,但是这种望远镜对地形的要求很高。在经过多次检测下,终于选择了在贵州地区进行工作,为了找到符合地貌的地方,南仁东几乎把贵州的每个角落都跑遍了,仅仅为了找出了个符合工作的地方,就花费了12年时间。

“20多年只做这一件事”

如果总是追随在后,失去的不只是一个制高点,还会失去广阔的市场。在发达国家占有先进技术并极力推崇的市场化时代,失去市场,就会导致我们生存和生活的空间大规模沦陷。

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为了推动立项,他成了“推销员”,设法参加国际会议,逢人就推销项目。“我开始拍全世界的马屁,让全世界来支持我们。”南仁东曾这样自嘲。为了寻求技术上的合作,南仁东北上哈尔滨工业大学,南下同济大学,继而奔赴西安电子科技大学。

大家都认为,造这样的超级大射电望远镜,一国难以实现,要多国联手,于是决定成立国际大射电望远镜工作组,这个工作组由美国、英国、加拿大、澳大利亚、中国、法国、德国、印度、荷兰和俄罗斯的十国代表组成。

​在南仁东提出建造新的望远镜之前。世界上最大的射电望远镜就是美国的阿雷西。而此时的中国在这方面的科技上远远赶不上其他国家,甚至可以说无从下手,要知道,无线电波不仅仅可以用来探测其他星球,还能够提高整个国家的民用科技。无论从哪方面出发,只要无线电波技术提高,国家和国民都会受益。

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早先,南仁东构想,把大射电望远镜中间那个大的做到200米口径,不少人就感到“有点夸张”了,后来规划到500米口径,就有声音说他是个“疯子”。

​随后花费了4年时间,终于在2016年的时候,建造了世界上最大的射电望远镜。但是为了完成这个项目,南仁东积劳成疾,被检查出了肺癌晚期。可是他还是坚持工作,直到这项重大科技项目竣工。因为这项工程的伟大,让我国在世界的天文领域领先了20年。可是就在工程完工的一年后,一位癌症病发南仁东去世了,他把生命全部奉献给了我国的天文领域。

据FAST工程馈源支撑系统副总工潘高峰回忆,在台址勘察期间,为了更清晰地了解现场,掌握第一手资料,制定正确的危岩治理方案,65岁的南仁东和年轻人一起,在没有路的大山里攀爬。在去陡峭山顶时,大家劝他在山下等着,看完结果向他汇报,他却坚持:“我要和你们一起上去,看看实际的情况。”

这个计划,陆续得到了大射电望远镜中国推进委员会一大批专家的认同与支持。这年7月,他们正式提出了专业称之的“LT中国工程概念先导单元”,就是由我国独立建造一台世界最大单口径球面射电望远镜的设想。

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终于争取到立项,南仁东的反应却不是欣喜若狂。从2011年开工令下达起,在5年半的工程建设过程中,先后150多家国内企业、20余家科研单位、数千人的施工队伍相继投入FAST建设,这么大的射电望远镜建设,关键技术无先例可循、关键材料急需攻关、现场施工环境非常复杂,工程的艰难程度远超出想象。可想而知,南仁东肩上的担子,压得很重。

可以这样说,像王选、南仁东这样的人,他们所做的事业都不是为了他们自己。

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在上述讨论中,射电天文先进的国家,声音就大。中国声音较小。1993年,中国最大的射电望远镜口径只有25米。澳大利亚、荷兰、日本、印度的声音都比中国响。印度在赤道附近建造的巨型米波射电望远镜,由30台45米口径的旋转抛物面天线组成。

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“造不好,怎么对得起人家?”

早先王选设计汉字激光照排四代机时,否定的声音就说这是妄想“一步登天”。因为中国当时连一代机都没有,世界上最先进的四代机也还在研发之中,王选怎么能想一步就做四代机呢?

​南仁东是属于我国第二个大民族的满族人,1945年出生于吉林辽源,在1963年的时候取得“吉林省理科状元”。并考入了清华大学,入读无线电系。为了能让我国天文领域有更大的突破,南仁东在清华大学毕业之后,又先后获得理科硕士学位和博士学位。接着南仁东首次在国际上提出“VLBI快照”模式,并且取得了天体物理的成果,那个时候科技设备还处于初级阶段,但是南仁东让80年代的中国天文领域使用VLBL数据测试成为了可能。

他在日本作客座教授期间,帮助日本空间甚长基线干涉天文台项目解决卫星-地面VLBI的成图难题。多年的突出成果得到国际同行赞誉和认可,他于2006年被国际天文学联合会射电天文分部选为主席。

1998年夏天,南仁东穿着裤衩,亲自为FAST设计了徽标。

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然而,用弹簧仍然是行不通的。在姜鹏最后一次向南仁东论述了弹簧方案不可行之后,他清晰地记得,空旷的会议室里,南仁东背着手站在黑板前,盯着那草图,“像一个无助的孩子。”姜鹏说:“我当时很难理解,这样的大科学家也会手足无措。”但他很快就明白南仁东的压力之大。“他寝食难安,天天与我们技术人员沟通,想方设法在工艺、材料等方面寻找解决途径,他背负的责任太重了”。

南仁东并非不知其难。因为难,国际天文会议提出需要会聚多国的财力、物力和科技力来联合制造。因为难,所以南仁东多年来锲而不舍地想把这个国际项目争取到中国来。

在南仁东逝世时,留下遗愿,丧事从简,不举行追悼仪式。他骤然离世,留下无数寄望,目前,FAST项目还在紧张调试,“要让FAST早出突破性成果,以慰藉南先生在天之灵。”他的同事和学生们说。

今属第三时代。世界各国的射电天文是怎样的状况?

“南老师曾说过,作为一个科研工作者,一生之中能参与大项目的机会难能可贵。这既是机遇,也是挑战。”从2001年开始参与FAST项目的国家天文台研究员张海燕说。如今再忆前期艰难,以及南老师不断鼓励大伙团结一心的情景,她泣不成声。

自古以来,人类一直生活在空气中却看不见空气,也看不见电磁波。距今一个半世纪前,英国物理学家麦克斯韦论述了电磁波的存在。后来有人发明出无线电。它能穿过枪林弹雨,能飞越高山大海,能在所有的自由空间里传播。1993年,国际无线电科学联盟第二十四届大会在日本东京召开。专家们讨论着,该如何把无线电更充分地应用到人类生活的一切领域。

“为了选址,南老师当时几乎踏遍了那里的所有洼地。”南仁东的学生、FAST工程接收机与终端系统高级工程师甘恒谦回忆,当时,南仁东带着300多幅卫星遥感图,跋涉在中国西南的大山里,“有的荒山野岭连条小路也没有,当地农民走着都费劲”。

英国的射电望远镜最早发现了脉冲星,有人因此获了诺贝尔奖。德国有100米口径的可转动射电望远镜。美国350米口径的射电望远镜,被评为人类20世纪十大工程之首。它的重要性被认为超过阿波罗登月。

在这些穷宇宙之边际的探索中,射电望远镜功不可没。自那以后,世界各国开始建造更大口径、更灵敏的射电望远镜来破解更多来自宇宙的秘密。

天文学对人类社会进步的影响,超出了很多人的认识。

多年来,FAST项目成为享誉世界的超级大工程,其创新技术得到了各方认可,获得了各种奖励,如创新的索网技术成果获2015年钢结构协会科学技术奖特等奖、2016年广西技术发明一等奖和2016年北京市科学技术奖一等奖。但属于南仁东个人的荣誉却只有“CCTV2016年度科技创新人物”“2016中国科学年度新闻人物”“2017年全国创新争先奖章”寥寥几项。

这些人是谁?

为了解决这个问题,南仁东提出用弹簧作为弹性变形的载体,来解决钢索疲劳问题。在姜鹏看来,这有些异想天开。“在我看来真有点天马行空,不可思议。”姜鹏说,“但他就是希望大家能发散思维。”

南仁东孜孜以求的“中国天眼”,并不只是要造一个世界最大的望远镜看星星。

随意翻开一本世界科技史著作,射电天文学都是20世纪科技进展中颇为重要的章节之一。20世纪60年代四大天文发现——宇宙微波背景辐射、类星体、脉冲星和星际分子,它们分别为大爆炸宇宙论提供支持、让人们重新思考红移的本质,更进一步了解宇宙的物理本质和更深入了解宇宙间生命发生的适宜条件——这四大发现都是利用射电望远镜才得以进行观测的。

为什么?这里说明的正是:它对整个自然科学的影响,是其他一切发明所不能相比的。

访山归来,南仁东心里有了底,正式提出利用喀斯特洼地建设射电望远镜的设想。经过多年的论证,2007年7月,FAST作为“十一五”重大科学装置正式被国家批准立项;2008年,国家发改委批复了FAST的可行性研究报告;2009年,中科院和贵州省人民政府联合批复了FAST项目初步设计及概算。

1997年,南仁东心里逐渐意识到,不能把希望完全放在争取国际SKA项目上。他想起了青年时在通化厂搞“向阳牌”便携式收音机、电视发射机的时候,车间里贴着的标语:“自力更生,奋发图强!”一个意识仿佛突然在他头脑里生出来:我们应该独立建造一台500米口径的射电望远镜!

“咱们也建一个吧。”1993年,获悉科学家们在日本东京的国际无线电科学联盟大会上提出,要在全球电波环境继续恶化之前,接收更多来自外太空的信息,建造新一代射电“大望远镜”时,南仁东做出了这个决定,这让“南仁东”这三个字,从此与FAST这个射电望远镜密不可分。

这个巨大的国际项目如果争取到中国落地,意味着世界多种尖端的先进科技会因应用于此而流向中国,将会开启多学科的未来发展目标。

他对名利淡漠,却对现场的工人和贫困地区的孩子十分上心。他曾给来自云南的工人买运动服,还常带些瓜果与工人们分享。每次晚饭后,他都会到工人的工棚坐坐,“端起工人吃饭的碗就喝水”。他的记忆力极好,几乎知道每个工人的名字、工种、收入情况,“还知道一些他们家里的琐事”。张蜀新说,南仁东看到了当地人生活的艰苦,了解当地小孩子上学的不易,于是他出资捐助十余位儿童上学。时至今日,仍有受资助的学生给他写信。

如果放弃向顶尖的科研奋力攀登,只会将发达国家的高技术产品卖到中国,则会导致整个国家的发展沦陷。

2012年,FAST973项目正式启动,作为资深咨询专家,南仁东指导FAST973项目“射电波段的前沿天体物理课题及FAST早期科学研究”的立项及组织实施;确立了FAST实现世界首个漂移扫描多科学目标同时巡天的原创科学策略;提出调试阶段全波段监测蟹状星云脉冲星的优先观测计划;建议了用于望远镜调整期及早期试观测的单波束和多波束接收机,前者已投入试观测。

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“感官安宁,万籁无声。美丽的宇宙太空以它的神秘和绚丽,召唤我们踏过平庸,进入它无垠的广袤。”南仁东以这句话表达了他对星空的追求。“别人都有自己的大设备,我们没有,我挺想试一试。”他说,他心中最大的梦想,就是把大窝凼变成一个现代机械美感与自然环境完美契合的天文观测奇迹。

每一种“国之重器”,为之奋斗者都不只是一个人,而是有很多人。有很多失败铺垫出通往成功的路。去真正深入地、仔细地把身子俯下去、趴下去研读他们的足迹,就会看到——我们需要学习,需要追赶,但只是跟在发达国家后面一步一步地追赶是追不上的,需要向顶天的高技术迈进——这就要“一步登天”,才能挺进到最前沿去争取我们生存的空间。

从1994年开始主持FAST项目的选址、立项、可行性研究及初步设计,主编科学目标,指导各项关键技术的研究及其模型试验,历经22年,南仁东带领团队最终建成了“中国天眼”。“南老师这20多年只做了这一件事。”他的同事和学生们说。在这8000多个殚精竭虑的日子里,南仁东带领老中青三代科技工作者克服了不可想象的困难,实现了由跟踪模仿到集成创新的跨越。“南老师推动了世界独一无二的项目。”FAST项目副总工程师李菂说:“他的执着和直率最让人佩服。”

就在这个大会的一个会议厅里,另有一些人在讨论,由于地球上无线电的大量使用,越来越多的电波干扰了外太空信号的接收,再这么下去,人类会被自己发出的无线电波封锁在地球里,无法对浩瀚宇宙做更深入的探索。于是他们提出:要抓紧建造新一代功能超强的大射电望远镜。

群山之中的FAST工程新华社发

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从FAST项目开始至今,南仁东一直任首席科学家,通过国内外同行间的合作,主持编写了FAST立项建议书,确定了中性氢、脉冲星、分子谱线、VLBI和地外智慧文明搜寻等5大科学内容。FAST具有高灵敏度和大天区覆盖,有利于发现更多罕见品种的脉冲星。中性氢与脉冲星巡视被国际天文界评审为FAST两个最高优先级科学目标。

( 摘自《中国天眼·南仁东传》 王宏甲 著 北京联合出版公司出版)

作为一名天文学家,南仁东不可能不知晓这段天文史。正因如此,24年前,时任中国科学院北京天文台副台长的南仁东,便敏锐地抓住了契机,提出:“在中国境内建造直径500米、世界最大的单口径射电望远镜。”

后来,南仁东放弃国外的优渥条件,回国挑起天文事业重担。

如此,可能失败,但有成功的可能。

有人说,FAST成就了南仁东。但实际上,早在FAST之前,南仁东就已经是著名的天文学家。1984年,南仁东使用国际甚长基线网对活动星系核进行系统观测研究,在这一领域的早期发展阶段,主持完成欧洲及全球网10余次观测,首次在国际上应用VLBI“快照”模式,取得丰富的天体物理成果;VLBI混合成图达到当时国际最高动态范围水平,使20世纪80年代国内进行VLBI数据分析成为可能。

当时,我国最大的射电望远镜口径只有30米,从30米到500米,这是个太大胆的设想,看好的人寥寥无几——建设这样大口径的射电望远镜已不仅是一个严密的科学工程,还是一个难度巨大的建设工程,涉及天文学、力学、机械工程、结构工程、电子学、测量与控制工程,甚至岩土工程等各个领域,且工程从纸面设计到实际建造和运行,有着十万八千里的距离。

南仁东没有参加这次国际大会,他在北京。得知情况后,他向中国科学院提出,我们要抓住这个机会,争取把“大射电望远镜”建到中国来。这可能吗?

在贵州平塘县大窝凼的喀斯特洼坑中,银色的“中国天眼”仍在探视宇宙,但在“中国天眼”之父南仁东的房间里,时间却停住了脚步。9月15日,南仁东因病在美国去世,这位率先提出在中国建设新一代射电“大望远镜”,并在十多年间,走遍贵州许多窝凼,选出理想台址,又用近十年时间跑遍工程现场的每个角落,罹患癌症仍坚守岗位的中国500米口径球面射电望远镜工程的发起者及奠基人,倒在了“中国天眼”建成而尚未正式启用的时刻。时年72岁的南仁东,生命在欣慰与遗憾中戛然而止,留在中国大地上的是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。

他们是这个大会“射电天文专门委员会”的天文学家。什么是射电天文?我想可以这样表述,人类天文学可分作三大时代:用眼观天的第一时代,用光学望远镜观天的第二时代,用射电望远镜观天的第三时代。

尽管失败带来了打击,但放弃却绝不是科学家的选择。“造不好,怎么对得起人家?”“国家投了那么多钱,国际上又有人说你在吹牛皮,我就得负点责任。”这样的话挂在南仁东嘴边。南仁东决定转向钢索的研制,整个研制工作接近两年,经历了近百次失败。几乎每一次,南仁东都亲临现场,沟通改进措施。最终,研制出满足FAST要求的钢索结构,让FAST渡过了难关。

文丨王宏甲

“懂无线电、焊接、机械的天文学家”

南仁东为什么锲而不舍

2016年9月25日,500米口径球面射电望远镜竣工,最终建成的FAST拥有500米的口径、相当于30个足球场的接收面积。如果在国际上做一个横向比较,FAST与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,灵敏度提高约10倍;比排在“阿波罗”登月之前、被评为人类20世纪十大工程之首的美国“阿雷西博”305米望远镜,综合性能提高约10倍。建造FAST的“窝凼”——几百米的山洼被四面的山体环绕,正好挡住外面的电磁波。这个世界第一大单口径射电望远镜,可以观测脉冲星、中性氢、黑洞等等这些宇宙形成时期的信息,以及捕捉来自外星生命的信号。

结果,王选成功了。

身材瘦小的南仁东的确是个“传奇”。他于1945年出生在辽源市龙山区,1963年,南仁东以高考平均98.6分的优异成绩成为“吉林省理科状元”,并考入清华大学无线电系,是当地10年间唯一考入清华大学的高才生。根据他的老友,FAST工程顾问、高级工程师斯可克回忆,毕业后,他俩在吉林通化无线电厂开模具,南仁东从冲压、钣金、电镀等“粗活”到土建水利样样都学,更带领技术员们生产出中国第一代电子计算器。但在选择硕士专业的时候,南仁东却不按常理出牌,他考取的是中国科学院的天文学研究生,跨入了与此前专业差异很大的天文领域,并“一发不可收拾”。

FAST这个创意,凝聚着众多中国天文学家的梦想,在南仁东、彭勃等几位核心专家的反复磋商中形成,含义若用一个字表达就是“快”,蕴含着“追赶”“跨越”或“领先”的意思。国际上,有人把 FAST 解读为“野心勃勃的计划”。

“是否有合适的地方?施工难度怎么克服?”这是当时人们最为普遍的质疑。但南仁东认准了这件事。从1994年开始,年近50岁的南仁东开始主持国际大射电望远镜计划的中国推进工作。他大胆提出,利用我国贵州省的喀斯特洼地作为望远镜台址,建设巨型球面望远镜作为国际平方公里阵列射电望远镜的单元,并立即启动贵州选址工作。

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在国家天文台FAST工程副经理、办公室主任张蜀新眼里,南仁东不只是个天文学家,他还精通岩土、焊接、机械、工程管理。在审核危岩和崩塌体治理、支护方案时,不懂岩土工程的南仁东,用了一个月的时间学习相关知识,对方案中的每一张图纸都仔细审核、反复计算,指出方案中的错误,提出了大量的宝贵意见。“他是个天文学家,但为了FAST,他把自己练成了通才,拿起电焊能焊得有模有样,给机械专家提点问题也总在点子上。”张蜀新说。

在长达14年的预研究和建设过程中,南仁东主持FAST科学目标,指导各项关键技术的研究及模型试验,实现了三项自主创新:利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址;洼坑内铺设数千块单元组成500米口径球冠状主动反射面;采用轻型索拖动机构和并联机器人,实现望远镜接收机的高精度定位。突破了一系列技术难题,发明了500MPa耐疲劳拉索,突破了高效握拔力锚固技术、大跨度索网安装和精度控制等难题;提出通过“水环”和运动配重扩大焦舱的运动空间同时增加系统阻尼的设计。

在2010年,FAST曾遇到建造以来的一场近乎灾难性的风险。据姜鹏回忆,2010年,他们对买自知名企业的十余根钢索结构进行疲劳实验,结果全部以失败告终,没有一例能满足FAST的使用要求。当时,台址开挖工程已经开始,设备基础工程迫在眉睫,可由于购买的材料达不到工程要求,反射面的结构形式迟迟定不下来。

(原载于《光明日报》 2017-09-2815版)

20世纪,无线电波打开了现代天文观测在不可见光领域的“窗口”,能够接收来自宇宙的电磁信号的优良观测设备就成为在这一领域一决高下的“利器”。南仁东深知要让中国的天文观测重回世界高地,建造大型观测设备是当务之急。

留着八字胡、目光凌厉,“一看就是‘头儿’”,这是姜鹏对南仁东的第一印象。在成为南仁东的助理,熟知他的过往经历后,FAST工程调试组组长、研究员姜鹏觉得“他的人生充满的是调皮、义气、玩世不恭,甚至有些捣蛋”。

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