射电望远镜折射的中国科研

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  85岁的中科院院士叶叔华盼了18年,终于等到了亲手为65米口径射电望远镜剪彩的这一天。2012年10月28日,总体性能名列全球第四、亚洲第一的射电望远镜在上海佘山落成。这意味着,中国的天文学家从此可以在本土接收到来自火星的无线电波信号了。
  早在1994年叶叔华就提出,中国应该新建一个65米口径的射电望远镜,以提高我国的深空探测能力。但是,由于资金迟迟不能解决,她的这一提议直到2008年才得以落实。“最近几年,由于国家对科技的大量投入,才使得我们有机会最终建成这个项目。”上海天文台副台长陆晓峰表示,整个项目从正式开工到落成,只用了两年多,只是国外同类项目建设时间的五分之一。
  “建设大型射电望远镜系统涉及多个技术领域,是一个国家科技实力的体现。”上海65米口径射电望远镜项目首席科学家沈志强说,大口径射电望远镜是一项高技术产品,对工程结构设计、机械加工、工业控制、超级计算、信息处理等都提出了很高的要求。本次工程就涉及了数十项技术攻关。这个望远镜的落成,也标志着中国在该领域的工业制造能力达到了世界先进水平。
  拥有“亚洲第一”,坐望“世界第一”
  实际上,中国急剧增长的科研实力在天文学上的最好体现,还不止于此,而是位于距上海数千公里之外、贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县一个人迹罕至的大山坳里。这个在建的、面积足有30块足球场那么大的巨型射电望远镜(英文简称FAST),预计将于2016年完工,届时将成为世界上单个最大的射电望远镜。在此之前,美国在波多黎各建造的阿雷西沃天文台是这一桂冠的拥有者,其直径为305米。而位于贵州的这座直径达500米的FAST,将至少可以观察3倍于阿雷西沃的太空深度,它勘察天空的速度也将是阿雷西沃的10倍。
  射电望远镜之于天文学家,比显微镜之于生物学家更重要。根据观测手段的不同,天文学大致可分为光学天文学、射电天文学、X射线和射线天文学等。自1608年第一块光学望远镜发明以来,光学天文学因为其成熟程度和所取得的成就,以至于一度成为天文学的同义词。而射电天文学利用射电望远镜观测天体的无线电波段的辐射,这一学科是在1940年代第二次世界大战后才发展起来的。尽管年轻,但射电天文学却很快就步入了繁荣期。1960年代,射电天文学的四大发现——脉冲星、星际分子、微波背景辐射和类星体的发现,是整个20世纪中最耀眼的天文学成就。
  “历史上,大型天文望远镜的建成,总会带来重大的科学发现。”谈到中国新建和在建的诸多项目,北京天文馆馆长朱进对FAST充满期待。除了上海与贵州的这两个新项目,新疆110米口径射电望远镜也在进一步论证中。按北京大学天文系教授吴鑫基的说法,射电望远镜是重大天文发现的发祥地和诺贝尔奖的摇篮。自1970年以来,诺贝尔物理学奖已经有9次颁给了天文学领域,而射电天文学就独占了4次。因此,多个大型射电望远镜的兴建,对于中国天文学界来说,无疑预示着一个黄金时代的到来。
  对“烧钱”的学科加大投入
  今年8月,素有“天文学的奥运会”之称的国际天文学联合会大会(IAU)首次在北京召开,国家副主席习近平出席这次大会并发表了演讲。当时,与会的国家天文台研究员陈学雷就表示,这样高规格对待一个学术会议,说明中国领导人对天文学的重视。
  而这样的重视,也只是最近几年才有的事情。天文学家、中科院院士方成算过一笔账:在2004~2011年的7年间,中国的国内生产总值年均增长率达9%,到2011年达47万亿元人民币;与此相应地,国家自然科学基金的预算增长了6.6倍,2011年的经费有近150个亿。其中,对天文学的投入增长了5倍,2011年超过1个亿。整个中国天文学界从科技部、教育部、中科院和自然科学基金委等机构得到的研究经费是10年前的10倍。
  方成为天文学界算的这笔账,实际上是中国加大对基础科学研究投入的整体策略在这一具体领域的体现。2011年5月23日,科技部、教育部、中科院、工程院和自然科学基金委等单位,共同召开了全国基础研究工作会议,这是继1989年、2000年以来的第三次全国性基础研究大会。科技部基础司司长张先恩在会上表示:近10年来中国基础研究快速发展,正在由“量”的增加向“质”的提升转变。载人航天、青藏铁路、南水北调等重大工程成功的背后,是基础研究的长期积累和多学科的综合交叉。
  方成指出,相比新中国成立的前50年,最近十来年,是天文学发展最快的时期。而这与中国的国力增强不无关系。天文学是以观测为主的学科,而观测的范围和结果,在很大程度上取决于设备。换句话说,天文学是门“烧钱”的学科,没有钱建造大型天文观测工程,就不可能取得重大成果。新建成的上海65米射电望远镜即是佐证,该项目斥资2.18亿人民币,而贵州的FAST项目,总投资将超过人民币6亿元。
  中国航天技术的快速发展,也是促使天文学突飞猛进的重要推力。在上世纪90年代之前,射电望远镜在中国还是“稀罕物”,其中最重要的就是叶叔华主导建设的上海25米口径射电望远镜。而在1995年之后,云南、新疆、北京等地相继建起了3台射电望远镜。当时建这些望远镜的目的,就是为绕月探测工程服务。此次落成的上海65米口径射电望远镜,其最重要的作用之一,就是为未来的探月工程提供更加精确的测定轨服务。
  五个天文学系的学科基础
  尽管中国天文学正在奋起直追,但与国外相比,仍然存在很大的差距。国家天文台台长苏俊在2011年做了一次梳理:1960年代末,中国第一次有了自主研制的60厘米口径光学望远镜;1980年代末,研制出2.16米口径光学望远镜。2009年,4米通光口径的“大天区面积多目标光纤光谱望远镜”研制成功。与美国在各个时期建造的世界最大口径光学望远镜相比,中国的同类项目都落后了60~70年。此外,中国至今还没有一颗空间天文卫星上天,至少在几年后才能建成使用的FAST,也比美国的阿雷西沃望远镜晚了半个世纪。
  为此,目前中国天文界还在酝酿几个大的工程:将于2020年建造的中国空间站,它的上面将安装口径2米左右的光学望远镜和太阳高能辐射探测设备;口径110米的射电望远镜;口径20米~30米的光学一红外望远镜;南方大面积天区多目标光纤光谱望远镜;中国巨型太阳望远镜等等。
  对于国内已建成和正在筹划中的这些望远镜,陈学雷表示,“老实说也有点担心:其实我们的人才、资金和技术都还有限,这些计划中的望远镜真的都能及时建成并取得成果吗?”
  陈学雷的担心恰是基于一些基本的事实。2001~2010年的10年间,中国基础研究投入总量的绝对值一直呈现稳步增长的态势,但根据国防科技大学副教授杨爱华的研究,相比国家研发经费总量高速增长的趋势,基础研究经费的增长速度却相对缓慢,而且投入强度缺乏稳定性。
  学者们的呼声在今年2月发布的《国家基础研究发展“十二五”专项规划》中得到了体现。该《规划》承认,在“十一五”期间,基础研究经费占全社会研发经费的比例仍然偏低,因而明确提出,未来五年,将逐步提高基础研究经费投入在全社会研发经费的比例,形成全社会支持基础研究的新局面。
  大型天文望远镜的建设并不是学科发展的全部。陈学雷说,“由于中国过去没有钱建大型设备,所以研究理论的人多,做实验观测的人少;而现在硬件迅速建起来了,却没有足够的人才储备,这是业界目前面临的一个问题。”长期以来,全国只有北京大学、北京师范大学、南京大学和中国科技大学4所高校可以培养天文学本科生。直至今年,厦门大学的加入才使这一数字增加到5家。在这种情况下,国内天文学人才的培养,主要依靠几家天文台,而在国外,高校普遍设有天文学系。不过,随着中国对基础科学研究投入的加大,天文学,这个探索宇宙奥秘、神秘的学科,有望吸引更多的人才。
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