国家天文台FAST（中国天眼）首席科学家李菂：“三次意外”推动射电天文学不断突破

"尤文博士有些意外的重大发现开启了现代射电天文学；阿雷西博望远镜这样一个由雷达专家意外提出的伟大设备领先了世界半个世纪；它们所展现的宇宙探索的努力和精神，现在由克服意外困难的中国天眼继承过来。我们希望继承的不光是宇宙探索，同时也将更为正面和建设性的人类发展蓝图和精神，拓展到21世纪。"12月18日，国家天文台FAST（中国天眼）首席科学家李菂在"《财经》年会2023：预测与战略"上表示。

李菂给我们介绍了推动射电天文学领域不断突破的"三次意外"：一是哈佛大学物理系的尤文博士意外的发现，开启了现代射电天文领域；二是由雷达专家意外提出并建设了领先世界半个世纪的伟大设备——阿雷西博望远镜；三是通过中国天眼克服意外困难产生前沿成果，例如原创方法精确测量宇宙磁场、在快速射电暴（FRB）领域从追赶到引领等等。

三次"意外"的事件，推动了现代射电天文学不断突破，李菂希望中国天眼，不光要继承前辈科学家们对深空和宇宙的不断探索和努力，同时还要把人类发展更为正面和建设性的蓝图与精神拓展到21世纪。

(资料图片)

以下是部分发言实录：

主持人：感谢杨院士的精彩发言，杨院士从基础科学开头，最后讲到了大家非常关注的卡脖子关键技术的突破问题。同时，杨院士也提到了实验技术的变革，推动了科学世界观的不断演进，科学仪器对国民经济、对科研的影响都是巨大的。他也提到了科学仪器、大科学装置，我们还处在起步的阶段，但中国有一个非常巨大的大科学装置，就是中国天眼，在贵州的深山里，它是我国具有自主知识产权、世界最大、单口径最灵敏的射电望远镜，我们今天请到了国家天文台首席科学家李菂老师，他的科研成果入选了2021年中国科学十大进展，接下来期待李菂老师为我们带来精彩的演讲。

李菂：刚才唐老师讲了微观，杨老师讲了宏观，现在我们近一步进入"宇观"。我今天的题目叫"三次意外"。在"宇观"这个方向，中国有领先世界的大科学装置——中国天眼，从天眼的夜景可以看到，可见光是可以透过镜面的。它的主要优势就是大，由我开始使用的一个度量，这口500米的‘大锅’装米饭，全世界每个人都能分两碗以上。

这样一个射频的设备，能够透光就能透风，也能透水，当电磁波的波长远大于它布满微小的孔洞时，就变成一个望远镜。它工作的频段在G赫兹，也是人类无线电的通信频段，也蕴含了宇宙非常重要的信号，特别是宇宙物质的主要组成成分，氢原子气体。目前的宇宙观由宇宙大爆炸启始，之后膨胀，随着密度下降能量转化成物质，物质最简单的原子成分就是氢原子，进一步演化形成了丰富多彩的宇宙。

原子气体宇宙的第一次探测是1951年，由哈佛大学物理系的一个研究生尤文发现。他搭建了一个非常简单的望远镜，后端却有世界上最领先的电子设备，测量到了氢原子的超精细结构谱线，这一发现打开了一系列的新的天文学领域，特别是射电天文学。

尤文探索天文属于不务正业。他是物理系的学生，本职工作是同步加速器，却受到荷兰天文学家1945年发表文章的启发。2001年，在美国国家射电天文台召开纪念此重大发现40周年的会上，我还见到尤文先生。他也回忆说，当时自己不知道提出这个原创想法的领先世界的科学家以及他的研究组正在非常积极的开展这个实验。如果事先知道了，他根本不会尝试。我每次回看这段历史，都会震惊于一个细节：整个实验没有国家经费。尤文的计算，从前端到后端，加起来是500美金，由其博士导师给系里写了一封信要钱，资助这个尝试性的学生项目。

用这么少的钱做这么一个历史性跨越的实验，非常大的得益于一个人：二战期间美国国防科学的领导人，范内瓦·布什（Vannevar Bush），他主要领导了美国战时研究组织（OSRD），包括曼哈顿计划的早期管理。美国科学研究局（OSRD）在MIT设置了一个无线电实验室，主要做雷达的研究，巅峰时期拥有15000人。到尤文做实验的时候，那个实验室已经关门了，留下了大量的各种各样非常先进的军用但过剩的元器件。这些元器件以白菜价卖给了尤文，使他在这个工业基础上得以做出跨时代的重要发现。布什对于后世最深远的影响，应该是他在二战结束时罗斯福总统的一个战略报告，即著名的"科学-无尽前沿"：明确了政府应该支持基础研究和人才建设，核心是推动军民融合（见美国自然科学基金网站公开总结）。

2018年早期，美国国家科学基金委员会（NSF）中国办公室主任宋南希女士到中国天眼现场访问，送给我这本书。到了2018年下半年，由于众所周知的原因，北京的NSF办公室关闭了。我很希望在我的有生之年，不光看到这个办公室重新开启，也能看到中国的自然科学基金的办公室能开到纽约去。

尤文的发现开启了现代的射电天文领域。但很快，横空出世了一个真正数量级性能提高的设备：阿雷西博望远镜。这一雷达专家Gordon的设想对于天文是个意外。他的计算要300米的天线去探测等离子层雷达回波。300米什么概念？当时世界上天文的天线都在几十米，很快有同事指出了计算中可能存在问题，原初科学目标很可能只需要30米。不过到了1958年底，美国新成立的先进项目委员会（ARPA），依然决定支持300米的这样一个疯狂、前瞻的想法。

这个惊人的历史发展需要放到当时的国际环境中去理解。1958年底，正是人类伟大的空间竞赛，大国角力、冷战的开启。苏联成功发射的第一颗人造卫星震撼了美国人民的灵魂，美国的幸运在于拥有钱学森创建的喷气推进实验室（JPL），在这个空间竞赛里迅速跟进，并促使美国总统和国会在1958年中设立了航空航天局（NASA）。阿雷西博望远镜的诞生反映了西方长期的冷战战略。1946年乔治-凯南著名的《长电报》中总结"为了赢得冷战，必须要规划一个远比过去更为正面和有建设性的世界蓝图"。阿雷西博望远镜是冷战的直接后果，却是这种正面蓝图精神的体现。

阿雷西博望远镜的横空出世，引领了一个快速发展的现代科学前沿超过半个世纪，包括1993年获得诺贝尔物理学奖。1996年中国科学院国家天文台前辈、特别是南仁东先生为代表的天文学家第一次到西博望远镜现场考察，提出了中国天眼的概念。90年代后期我在康奈尔大学求学，在阿雷西博接受了自己学术生涯早期的射电天文训练。2000年代初，我们利用阿雷西博望远镜观测宇宙原子氢气，有一个小发现，我命名为氢气的窄线自吸收，英文简写HINSA。HINSA发表，我们及同行都意识到，其真正推动射电天文学的潜力在于星际磁场的测量。

文章是2003年发表的，在这之后将近20年的时间里，这个实验意外的困难。我们及合作者和竞争者的大量尝试全部失败。回头审视，应该还是受设备的制约。阿雷西博望远镜的接收设备常常在镜面上投出一个非常大的复杂阴影，反映了接收设备对来自宇宙的光线的遮挡。作为对比，中国天眼缩的接收设备产生的遮挡远为轻微，使得FAST的信号更加精细，也更加干净。

去年，我们很幸运的实现了用HINSA探针第一次测量其塞曼效应，成果发表在2022年首期《自然》杂志封面文章。FAST这一探测揭示了微弱的星际磁场，强度约为地球磁场的十万分之一。这样的"创新方法"（《自然》发表其资深编辑评述）所产生的"极为重要的观测结果"（《自然》发表的领域权威短评），也得到国际同行的认可，认为它有潜在的"革命性"（《科学》引述同行专家）的意义。实际上，这一成果只是天眼从2020年正式运行以来的丰富成果的一小部分。三年来，有来自将近30个国家的各个天文子领域的科学家将开展近400个观测项目，催生了超过150篇学术期刊论文，包括七篇《自然》，两篇《科学》等重要的结果。

在一些新的前沿，我们已经能够慢慢从学习到引领。以宇宙中无线电频段最剧烈的爆炸现象-快速射电暴（FRB）为例。在这个领域里，仅以《自然》、《科学》为高影响刊物的量纲，FAST产生的《自然》《科学》文章在全世界占比从0增长到今年的70%以上。大意外里的一个小意外。

我希望能给大家留下一个印象：尤文博士意外的重大发现所开启的现代射电天文学的领域，由阿雷西博望远镜这样一个意外的由雷达专家提出的伟大设备引领了半个世纪。它们所展现的对于深空和宇宙探索的努力，现在由中国天眼继承过来了。我们希望不光继承的是对宇宙的探索，同时也是将代表人类发展更为正面和建设性的蓝图及精神拓展到21世纪。谢谢各位！

由《财经》杂志、财经网、《财经》智库、财通汇联合主办的"《财经》年会2023：预测与战略"12月17日至18日在北京举行，论坛主题"应对发展挑战 提振复苏信心"。