任何科學(xué)研究，都處于人類認知的前沿，它本身就帶有幻想和夢想的雙重屬性。我們需要通過教育、通過鼓勵好奇心和那些偉大而富有野心的夢想、甚至是幻想，不斷推進科研發(fā)展的進程。
——摘自第六屆IEIC大會 李菂分享
中國科學(xué)院國家天文臺研究員、FAST首席科學(xué)家
李菂 | 第六屆IEIC大會學(xué)校發(fā)展論壇專題報告
“人類失去想象，世界將會怎樣?”
一直以來，想象、聯(lián)想、幻想……都是人類特有的一種潛質(zhì)。一次次工具改進、一次次工業(yè)革命，到人工智能飛速發(fā)展，都離不開對未來的盡情想象。而創(chuàng)新，正是建立在這種充分的想象之上。
在第六屆IEIC國際教育創(chuàng)新大會上，中國科學(xué)院國家天文臺研究員、FAST首席科學(xué)家李菂教授分享了主題為《幻想的價值》的演講，結(jié)合“中國天眼”的運作原理及開發(fā)過程，強調(diào)了孩子好奇心、幻想的重要價值，對未來的科創(chuàng)教育寄予了深切厚望。
*以下內(nèi)容摘自李菂教授第六屆IEIC大會分享，為方便閱讀，以第一人稱視角陳述。
任何科學(xué)研究
就帶有幻想和夢想的雙重屬性
大家現(xiàn)在看到的就是我目前的主要工作——中國天眼，圖上有一個光的螺旋線，實際上是一輛卡車從我們這個世界上最 大的觀天設(shè)備底下開過去的痕跡。這個直徑500米的設(shè)備，有一半的面積是很小的孔洞，光可以透出來、雨水也能漏下去。
圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會PPT分享
這樣一個直徑500米的“大鍋”，可以裝下30個足球場，是我們國家天文觀測的大科學(xué)裝置。中國天眼是它的昵稱，它的嚴格稱謂是“500米口徑球面射電望遠鏡”。它不僅是我們一系列的原創(chuàng)技術(shù)的產(chǎn)物，也是好幾代天文人的夢想，甚至于幻想。
今年10月21號，我去成都參加了世界科幻大會，大會頒布了今年的“雨果獎”，當(dāng)時會場的布置就充滿了科幻的元素，主要靈感來自于劉慈欣先生的作品，有《流浪地球》中的機器人，以及《三體》中的“水滴”設(shè)計，背景中閃閃發(fā)光的部分其實是一個電梯。
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實際上，任何科學(xué)研究，特別是我們這種幾乎沒有實用價值的天文研究，它處于人類認知的前沿，所以它本身就帶有幻想和夢想的雙重屬性。
而中國天眼這項設(shè)備經(jīng)過20多年的建設(shè)，從2020年開始正式運行，到現(xiàn)在不過三年多的時間，但它已經(jīng)承擔(dān)了超過400個觀測項目，有來自超過30個國家的首席科學(xué)家參與其中，也誕生了一系列重要成果，包括9篇《自然》、2篇《科學(xué)》、還有已經(jīng)入選“中國科學(xué)十大進展”的成果。
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可以說，天眼早期的產(chǎn)出效率，遠遠超出了我們這些建設(shè)者的最美好的想象或者是幻想。
不僅如此，天眼除了承擔(dān)繁重的科研工作，也逐漸成為中小學(xué)教育中的重要工具。去年，國家天文臺的武向平院士和中國科協(xié)聯(lián)合組織了面向中小學(xué)生的中國天眼觀測項目征集，收到了將近8.000份申請，每一份申請背后，都充滿了孩子們無盡的好奇心和各種各樣有趣的幻想元素。
“中國天眼”的開發(fā)過程
我們再來看看這項設(shè)備。它看起來和我們的天眼很像，也是坐落在石灰?guī)r地形中的一口“大鍋”，它是美國在1963年建成的阿雷西博望遠鏡，擁有一系列載入教科書式的發(fā)現(xiàn)——在1993年，阿雷西博望遠鏡的成果獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
然而，阿雷西博望遠鏡的誕生，極具革命性和意外性，甚至和天文研究沒有任何直接的關(guān)系。
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剛開始，康奈爾大學(xué)的工程師William E.Gordon博士提出要建設(shè)阿雷西博雷達探測研究電離層，在他的計算中，需要一根300米的天線來完成這項研究。
大家可以想象一下，在上世紀(jì)五十年代末，世界上幾乎所有的設(shè)備都是幾十米的數(shù)量級，William E.Gordon博士突然提出了300米這樣一個跨越性的概念，就帶了一些瘋狂的幻想元素。
而且，通過后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，他的計算是有問題的。僅僅幾個月后，業(yè)內(nèi)同行就指出，他的目標(biāo)只需要30米的天線就可以實現(xiàn)。
盡管如此，William E.Gordon博士的這項計劃依舊得到了美國新成立的先進研究項目委員會(ARPA)的資助和支持，這也是基于當(dāng)時的時代背景，美國和蘇聯(lián)正在開展一場激烈的太空競賽，雙方在這方面的投入都相當(dāng)大。
而阿雷西博望遠鏡正是ARPA資助的第一個項目。實際上，ARPA現(xiàn)在依舊存在，它轉(zhuǎn)向了美國國防部，前面增加了一個單詞：Defense，變成了DARPA，性質(zhì)上有點類似一個帶有國家戰(zhàn)略意志的投資公司。
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它先后進行了因特網(wǎng)、UNIX操作系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等一系列的早期投資，還包括電動汽車、頁巖油等前瞻性技術(shù)的發(fā)掘，可以說是相當(dāng)成功。
回過頭來再看阿雷西博望遠鏡，也一直在更迭升級，并且誕生了新成果。在1973年，美國麻省大學(xué)的泰勒教授和他的學(xué)生豪斯通過觀測雙中子星相互纏繞的現(xiàn)象，用愛因斯坦的理論精確的計算出了兩顆中子星的軌道變化，從而間接證明了引力波的存在。這項發(fā)現(xiàn)獲得了1993年諾貝爾物理學(xué)獎。
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到了90年代中期，阿雷西博望遠鏡已經(jīng)是一個非常成功的、領(lǐng) 先世界的、載入史冊的大科學(xué)工程。1996年，來自國家天文臺的老一輩科學(xué)家，特別是南仁東先生和邱育海先生，第一次到美國阿雷西博望遠鏡現(xiàn)場進行考察。此后，他們提出要在中國建設(shè)20個阿雷西博這樣的巨型望遠鏡，并組成一個陣列，更好地進行天文研究。
那么到了今天，其中有一個成功延續(xù)了下來，它就是中國天眼。
九十年代中后期，我在康奈爾大學(xué)攻讀博士，當(dāng)時我的主要工作，就是利用阿雷西博完成的。或許正是這樣的淵源，我在2008年受聘為FAST的項目科學(xué)家，2009年有幸第一次到中國天眼的現(xiàn)場，2012年回國全職參與FAST建設(shè)。
一直到2012年8月，F(xiàn)AST項目還只是一個“坑”，遠遠沒有取得今天這樣良好的發(fā)展?fàn)顩r和成就;到了2015年，我擔(dān)任副總工程師，和同事們一起，幾乎每天全程在現(xiàn)場工作;到了2016年9月25日，F(xiàn)AST項目正式竣工，獲得諾貝爾物理學(xué)獎的泰勒博士也來到現(xiàn)場參加竣工典禮;隨后就是一系列的驗收環(huán)節(jié)，直到2020年，F(xiàn)AST才通過國家驗收，成為一個正式的大科學(xué)裝置。
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中國天眼是如何推動
我國天文學(xué)領(lǐng)域技術(shù)進步的?
FAST項目的建成，推動了一系列項目開展和技術(shù)進步。我們希望用原創(chuàng)的思想和先進的電子學(xué)設(shè)備，高效率地同時進行多科學(xué)目標(biāo)的觀測。這是我目前領(lǐng)導(dǎo)的一個世界首創(chuàng)的巡天計劃：CRAFTS(Commencer Radio Astronomy Fast Serving)，翻譯過來就是手藝，現(xiàn)在是FAST五個優(yōu)先重大項目之一。
簡單來說就是望遠鏡不動，利用地球的轉(zhuǎn)動，來讓它的指向飄過天空。
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目前，該項目已經(jīng)催生了FAST的第一個科學(xué)發(fā)現(xiàn)——一個距離我們大約1.6萬光年、周期1.83秒、高速旋轉(zhuǎn)的一顆脈沖星。
2017年的10月10號，我們正式公布了這項發(fā)現(xiàn)，它也被稱作是代表中國射電波段的大科學(xué)裝置系統(tǒng)產(chǎn)生原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)的新時代開啟的重要標(biāo)志。
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發(fā)展到現(xiàn)在，F(xiàn)AST的科學(xué)成果已經(jīng)非常豐富了。這是我們通過2019年的一次系統(tǒng)觀測，在2021年發(fā)表的來自叫做“快速射電暴：FRB121102”的一個非常大的爆發(fā)樣本集。
“121102”這一串號碼代表了這個信號第一次出現(xiàn)在人類的數(shù)據(jù)里的時間，就是2012年11月2號。不過當(dāng)時我們并不知道這個信號的存在，也沒有把它找出來。
而第一次捕獲這個信號的，就是中國天眼的前身——美國的阿雷西博望遠鏡。中國天眼FAST由于靈敏度更深，我們在一個半月的時間內(nèi)捕獲了1.652次脈沖——下圖是用了王希孟的《千里江山圖》意向，來展現(xiàn)這個重要成果。圖中大家看到的從遙遠的星系中一個神秘爆發(fā)源過來的、一股一股像是這種水流的波動，就是來自天眼真實的脈沖數(shù)據(jù)。
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所謂的“快速射電暴”，就是這里的每一個起伏。每一個脈沖的持續(xù)時間只有千分之幾秒，但它可能蘊含了太陽一整年甚至幾年的總輻射能量。直觀點來說，每一個千分之幾秒的波峰的起伏，都代表著足夠現(xiàn)在的人類社會用1萬億年的能量。
這種現(xiàn)象目前對于很多人來說都難以想象，甚至不存在合理的科學(xué)解釋，然而它就是存在。
目前，中國天眼探測到的1.652個脈沖，已經(jīng)超過了截止到2021年底，整個領(lǐng)域14年之內(nèi)所有出版物發(fā)表的總和。
這個發(fā)現(xiàn)成功入選了2021年度的“中國科學(xué)十大進展”。所以中國天眼盡管是基于阿雷西伯望遠鏡的概念，但它的實際接收效率，要比阿雷西伯望遠鏡高出2-3倍;它的巡天效率，基于中國一系列的原創(chuàng)技術(shù)，也要高出一個數(shù)量級以上。
我在讀博期間曾利用阿雷西博望遠鏡做了一個宇宙原子氫氣的觀測，并由此發(fā)展和命名了一套新的方法，叫做“中性氫窄線自吸收”，英文簡寫是 “HINSA”。之后經(jīng)過將近20年的艱苦努力，最終由中國天眼實現(xiàn)了用HINSA方法對于星際磁場的精確測量。
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這項工作成果是2022年初第一期《自然》的封面，它的信號特征就是右下這個所謂HINSA的塞曼效應(yīng)，它代表的是大概四個微高斯的微弱的星際磁場。
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四個微高斯是什么概念呢?它大概相當(dāng)于地球磁場的1/100.000.而這跟很多經(jīng)典的模型推測結(jié)果是不一樣的。因此這個結(jié)果也被業(yè)內(nèi)同行稱作“一個有創(chuàng)新的方法產(chǎn)生的極端重要的觀測”。它對這個領(lǐng)域還存在其它潛在性的革命性的影響。
中國天眼處于世界領(lǐng) 先地位的重要原因，在于它的接收面積夠大，但它本身依舊受限于單天線的概念限制。也就是說，即使一根天線做得再長，上限就是幾百米，不可能做到上千米。
有一個在70年代就獲得諾貝爾物理學(xué)獎的概念叫“綜合孔徑”，就是我們可以把天線的接收面積在物理上拉開，然后組合它的信號。我們把它叫做綜合孔徑的望遠鏡，用它同時做探測的就是合成孔徑雷達。
它們都基于光的波動性質(zhì)，物理和工程的基礎(chǔ)是一樣的。
中國科研的發(fā)展
離不開學(xué)生們的幻想與超越
這一年多以來，我們和山東濟南章丘的齊魯師范學(xué)院進行了緊密合作，現(xiàn)在已經(jīng)建設(shè)了由20面天線組成的 “齊魯探天”分米波陣列，這是中國高校第一個大型分米波天文陣列。
右邊這張是在今年的9月15日，我們天線基本安裝完成的時候，由一個齊魯師范的學(xué)生拍攝的照片：再一次仰望天空，緬懷南仁東先生。
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也是基于這樣一系列的深入合作和大膽舉措，在2023年10月25號，學(xué)校成立了齊魯師范學(xué)院的天文學(xué)系，我們基于在山東泰安大汶口遺址挖掘出來的八角星紋彩陶豆的圖案，設(shè)計了天文學(xué)系的系標(biāo)。
系標(biāo)采用內(nèi)方外圓的設(shè)計理念，呼應(yīng)著天文學(xué)系的學(xué)科內(nèi)容;外延切斷的圓圈，則是星軌的象征，也是希望同學(xué)們能夠延續(xù)對天空的好奇心、夢想以及幻想。
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今年年初(2023年2月28號)，正好是《流浪地球2》上映播出，人民日報文藝版組織了相關(guān)編導(dǎo)、制作人以及一部分科學(xué)家，對中國的科學(xué)和科幻做了一些評論。下面是我交上去的稿件，其實也代表了我今天的演講主題——
科幻文藝和基礎(chǔ)科學(xué)的興盛，都離不開一個風(fēng)華正茂的國家，一個朝氣蓬勃的時代。中國天眼的一系列發(fā)現(xiàn)，正是得益于中國持續(xù)投入的大科學(xué)裝置建設(shè)，得益于以南仁東先生為代表的幾代人的努力。
中國人建設(shè)了太空站，觀眾看到《流浪地球2》中航天員出艙的場景就不會感到違和。所以我們的基礎(chǔ)研究和科學(xué)幻想，它的根基，都是一個國家或者一個體系的工業(yè)基礎(chǔ)。
我期待科研能賦眾生以想象，而科幻給歲月增文明。
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我們所從事的天文學(xué)領(lǐng)域，在中國天眼以前，實打?qū)嵉芈浜竺绹?0年。而現(xiàn)在呢?只是在局部有一些追趕和超越。我們?nèi)娴墓こ碳夹g(shù)研究基礎(chǔ)和規(guī)模還是比較落后的。
但是，追趕和學(xué)習(xí)的基本態(tài)度，就是要能夠平視。現(xiàn)在年輕的一代人，已經(jīng)有了平視世界的底氣和必要。我也期待未來的科學(xué)和科幻，有更多的原創(chuàng)，更多的坦然和一往無前。
中國天眼是中國過去幾十年歷史性的科學(xué)投入以及整體工業(yè)體系發(fā)展進程的一個反映、一個代表。
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我們這一代人既是這個進程的受益者，也是這個過程的參與者和建設(shè)者。在未來，希望通過教育、通過鼓勵好奇心和那些偉大而富有野心的夢想、甚至是幻想，可以把科學(xué)發(fā)展進程一直延續(xù)到更深的21世紀(jì)。
