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位于貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村的500米口徑球面射電望遠鏡全景。FAST工程辦公室提供

　　開欄的話 大科學工程是20世紀以來世界科技進步和社會發(fā)展的最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，也是一個國家創(chuàng)新力以及核心競爭力的主要表征。就當今世界科技而言，一個國家在關(guān)鍵領(lǐng)域領(lǐng)先一步，哪怕只是一小步，往往都會造成“勝者全得”或者“強者恒強”的局面。而為實現(xiàn)領(lǐng)先一步，大科學工程當之無愧地成為“國之重器”。從“兩彈一星”到載人航天，從北京正負電子對撞機到大亞灣中微子實驗，中國每一次重大科學突破，幾乎都與大科學工程聯(lián)系在一起。新中國成立后，中國的大科學工程同時面向國家戰(zhàn)略需求和世界科學前沿，通過核心技術(shù)突破和資源集成，取得了諸多決定著國家地位和命運的重大成果。歷史和現(xiàn)實一再見證，搞大科學工程是中國科學技術(shù)跨越式發(fā)展的必由之路，也是我們集中力量辦大事的政治優(yōu)勢的集中體現(xiàn)。本報今天開始以新欄目“走近中國大科學工程”，引領(lǐng)讀者徜徉最前沿的科學天地，并深度感知那些和平發(fā)展的中國故事。

　　■走近中國大科學工程

　　從貴陽機場驅(qū)車向南，經(jīng)高速公路轉(zhuǎn)上土石路，顛簸3個小時，穿過最后一道狹窄山口，500米直徑的白色鋼環(huán)突然出現(xiàn)，填滿了視野。那是史上最大望遠鏡的圈梁。

　　走上FAST（500米口徑球面射電望遠鏡）的圈梁，像是走在一座鋼橋上。它被50根6米到50米高低不等的鋼柱支在半空，周長1.6公里，繞走一圈要40分鐘。

　　雞蛋粗細橡膠表面的索繩，攀附圈梁懸垂交錯，總重1300噸，已編織成網(wǎng)，于2月4日完工。下一步，就是拼裝FAST的天線反射面。FAST預計2016年成型，中國的射電天文學屆時將領(lǐng)跑世界。

　　越大越好

　　電視收不到信號時，屏幕上不是一片空白，而是雪花閃爍并發(fā)出刺刺聲，這就是來自太空的射電信號。1931年，美國一位電子工程師發(fā)現(xiàn)，銀河中心能傳來有規(guī)律的電波。這開創(chuàng)了射電天文學。

　　射電跟光沒太大區(qū)別，都是電磁波。光只是能刺激眼睛的一小部分電磁波。從伽馬射線到紫外線到可見光再到紅外線和射電，各有監(jiān)測這些不同波段電磁波的望遠鏡。“射電”是比紅外線頻率還要低的電磁波段。

　　射電望遠鏡，跟收衛(wèi)星信號的天線鍋是一回事。通過鍋的反射聚焦，把幾平方米到幾千平方米的信號聚攏到一點上。射電天文學家是裝備最高級的無線電愛好者，他們聆聽的信號不是人造的，而是“天生”的。

　　為了提高射電望遠鏡的表現(xiàn)，天文學家想出一個辦法，就是讓許多個天線鍋對準同一目標，通過比對信號算出更精確的信號位置。但是想接收更微弱的射電，只有把天線鍋造得更大。中國科學院國家天文臺FAST工程首席科學家、總工程師南仁東說，宇宙空間混雜各種輻射，遙遠的信號像雷聲中的蟬鳴，沒有超級靈敏的耳朵就分辨不出來。

　　1993年東京召開的國際無線電科學聯(lián)盟大會上，包括中國在內(nèi)的10國天文學家提出建造新一代射電“大望遠鏡”。他們期望，在全球電信號環(huán)境惡化到不可收拾之前，能多收獲一些射電信號。建造FAST的動機肇始于此。

　　FAST之前，世界上最大的射電天線鍋，一個是德國100米直徑的“埃菲爾斯伯格”，一個是美國300米直徑的“阿雷西博”。前者是可以移動搖頭的，后者借助波多黎各島上的喀斯特洼坑，跟FAST相似。

　　造更大的望遠鏡非常困難。天線鍋要求毫米級的精度，在平地上建百米以上的天線鍋，自重就會造成形變，一陣風也會讓它變形。有天文學家提出了思路：在喀斯特地形下常見的“天坑”里造。

　　最圓深坑

　　1994年底，北京天文臺（現(xiàn)國家天文臺）牽頭20所院校，提出了“喀斯特工程”。準備從中國西南無數(shù)個喀斯特地貌的凹坑中，選出一個來建大望遠鏡。

　　看過遙感圖，大家確定了300個候選的圓坑，經(jīng)過走訪又篩選出80個最圓的。貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村的一個圓形洼地——大窩凼，成為最有力的競爭者?！佰省?，音蕩，水坑的意思。

　　“當時到這里來勘測，明顯感覺比其他的凼更圓一點?！蹦先蕱|說，他下踏了百個天坑，大窩凼最合適。

　　選一個形狀最圓、深度和尺寸恰好的洼坑，可以減少“磨圓”所需的土石方工程量。在現(xiàn)場，南仁東指著坑底說：“綠色的地面是沒有開挖過的，黃色的是動過土的。”我們目測這兩部分面積是一比一。

　　水在石灰?guī)r上削出幾百米直徑的“凼”。凼的底部都會有一個至少浴缸大小的水洼，這是積水向下滲透的地方。天文學家們考慮到，喀斯特地質(zhì)下，積水可以從坑底滲漏出去，不至于於積和危害天線。不過FAST的天坑里，還是開掘了一條通到“隔壁”坑里的排水道。

　　指著建在山腰上的六座鋼架（它們將來要拉吊起信號接收器），南仁東說，如果不依托天坑，這些鋼架就得從平地而起，不光造價承擔不起，也無法達到精度要求。

　　在天坑中建筑，很麻煩的一點是空間騰挪不開。為此施工人員想了很多辦法，用人工補機器的不足，采取一系列新工藝，得以把幾十座鋼梁和幾十段框架，一點點搬運到恰當?shù)奈恢谩?/p>

　　毫米精度

　　FAST的設(shè)計目標，是把覆蓋30個足球場的信號，聚集在藥片大小的空間里。不如此，就無法監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號。500米的結(jié)構(gòu)，要實現(xiàn)毫米級精度，是天文學家從未做過的。

　　光確保鋼結(jié)構(gòu)不變形就是一大挑戰(zhàn)。熱脹冷縮效應無法忽視。南仁東指著鋼架與邊框相接處說，到了夏天，邊框會比冬天外移30厘米。1.6公里長的巨大邊框并不固定，而是“擱”在鋼架上，它與鋼架的接觸面是一層平滑材料。這樣即使邊框脹縮，鋼架也不會歪斜。

　　FAST的天線鍋呈現(xiàn)標準的球形，在工作時它會變形，在適當?shù)奈恢眯纬梢粋€300米直徑的拋物面（只有拋物面才能聚焦信號，球面和拋物面差距最小，可以最方便地在局部形成拋物面）。FAST靠變形來轉(zhuǎn)換天線方向。

　　就像水手扯動纜繩控制帆的朝向一樣，F(xiàn)AST拉扯索網(wǎng)來變形天線鍋。FAST的鋼索網(wǎng)，聯(lián)系著邊框以及2000多個天坑地表面上的小電機。這些電機配合動作，控制著鋼索網(wǎng)的形狀。整個變形過程，由激光定位系統(tǒng)校準。

　　而在索網(wǎng)的上空，高高懸著一個類似于神舟飛船大小的饋源艙（信號接收單元），內(nèi)設(shè)世界最精貴的接收器。這個接收單元內(nèi)部，也有一個有六條伸縮腿的變形框架，負責把接收器放置在焦點上。30噸重的饋源艙，被六條400多米的鋼索吊起，移動范圍達200米，再求精度，談何容易。

　　框架、索網(wǎng)、接收器，每一部分的位移都要控制在毫米級，F(xiàn)AST才能正常工作。

　　比起目前領(lǐng)先的“埃菲爾斯伯格”望遠鏡，F(xiàn)AST的靈敏度將提高10倍。這意味著，遠在百億光年外的射電信號，F(xiàn)AST也有可能聽到。

　　監(jiān)聽奇跡

　　FAST建成后，天文學將注定有許多突破。

　　首先，F(xiàn)AST能夠發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星。脈沖星是1967年發(fā)現(xiàn)，因為信號規(guī)律，開始被誤認為是外星人發(fā)出的信號。現(xiàn)在普遍認為，脈沖星是一種高速旋轉(zhuǎn)的中子星，就像海邊的燈塔，旋轉(zhuǎn)的光柱掃過地球。但也有一些證據(jù)似乎不支持燈塔模型。

　　南仁東說：“現(xiàn)在我們偵測到的約2000顆脈沖星，全都是銀河系內(nèi)的。別的星系想必也有脈沖星。所以FAST會避開銀河，對準別的星系，發(fā)現(xiàn)更多奇特的脈沖星，了解它是什么東西。”

　　南仁東說：“我們很可能會發(fā)現(xiàn)一些前所未見的脈沖星現(xiàn)象，比如說一個脈沖星和一個黑洞結(jié)對，那么就可能產(chǎn)生突破性的理論?！盕AST期望第一年就找到幾十顆銀河外的脈沖星。

　　FAST還可能觀察到早期宇宙的蛛絲馬跡——中性氫云團的運動。所謂中性氫，就是宇宙中未聚攏成恒星發(fā)光發(fā)熱的氫原子，是一個質(zhì)子加一個電子。本來從遠處是看不到氫原子的，但質(zhì)子和電子就像旋轉(zhuǎn)的星球一樣有磁極。如果電子磁極罕見地倒轉(zhuǎn)了，一種波長為21厘米的微弱電磁波就跑了出來。

　　監(jiān)測21厘米波，不僅能判斷出哪里存在大量的中性氫，還能通過波長微小變化，判斷出這些氫原子在遠離還是靠近我們。

　　由此，F(xiàn)AST觀測中性氫信號，就能獲知星系之間互動的細節(jié)，還可能發(fā)現(xiàn)早期宇宙中剛剛形成的氫是怎么運動的，從而為宇宙發(fā)育史提供線索。類似的道理，F(xiàn)AST還能監(jiān)聽到一些太空有機分子發(fā)出的獨特電磁波，讓我們更精確地描繪出宇宙圖景。

　　如果幸運，F(xiàn)AST還將嘗試接收外星文明的電波。如果一二十年后，外星人有意無意釋放的信號被地球收到，那肯定是FAST的功勞。

　　絕對安靜

　　在中國有人煙的地區(qū)，大窩凼附近算是電波稀少的了。我們路過附近的另一個凼——鉆過幾百米的漆黑山洞，突現(xiàn)一座世外桃源。天坑底部種著蔬菜和莊稼，幾棟木房子，狗吠雞鳴之外，萬籟無音，令人心曠神怡。這里不通電線，最近一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)在5公里外。

　　射電望遠鏡正需要這么一處靜土。貴州省政府2013年出臺法令，在FAST周圍設(shè)立一個5公里無線電靜默區(qū)，30公里內(nèi)不允許有干擾設(shè)施。附近的農(nóng)民將為此搬遷。

　　在距離FAST項目8公里的地方，散布有大小12個天坑組成的世界上最大的天坑群，其深度均超過300米以上，被稱為“天坑博物館”。貴州政府期望結(jié)合天坑和天文景觀，“打造國際天坑天文旅游目的地”。

　　而科學家們希望減少周邊人類活動，避免電波風險。最靈敏的天線相當于最嬌弱的耳膜，輕聲耳語對它無異于大喊。南仁東說：“月亮上打手機，F(xiàn)AST也能聽得一清二楚?！?/p>

　　不要說用手機，就算是附近使用電器，或者幾十公里外有飛機向地面發(fā)送信息，在FAST那里會造成一場電磁風暴。

　　因此，未來在FAST現(xiàn)場工作的科學家控制使用電器。FAST的監(jiān)聽中心設(shè)在兩道山以外。FAST獲取的信號通過光纖傳輸?shù)奖O(jiān)聽中心，再傳送到外界，全程不能用無線裝置。

　　南仁東說，如果說FAST還有讓人不放心之處，就是今后附近能否保持絕對電波靜默。

　　中國制造

　　2015年，F(xiàn)AST將進入反射面拼裝階段?？萍既請笥浾咴诂F(xiàn)場看到了三角形的面板，鋁合金制，邊長11米，4000多塊這種面板最終將拼出FAST天線鍋。面板密布孔洞。南仁東說，一是為了風負載小一點，二是達到50％的透光率，讓天線面下能長草，避免水土流失。

　　FAST的設(shè)計和建造，體現(xiàn)了中國人領(lǐng)先于世界的工程能力。光是把33米長、70噸重的鋼框部件一塊塊從沿海運送到山區(qū)，在狹小的坑里吊起、拼合，就足夠令人贊嘆了。負責施工的江蘇滬寧鋼機股份有限公司創(chuàng)新了很多工藝，包括吊裝技術(shù)，在世界上頭一個完成了這類工程。

　　FAST是人類用極端手段探索遙遠的星空，因而在建設(shè)中使用了大量非標準的工業(yè)模塊，這就需要科研人員和各領(lǐng)域的制造廠商密切協(xié)作，強力攻關(guān)，并研發(fā)新技術(shù)。

　　以鋼索為例。FAST的鋼索網(wǎng)很重，拉扯又頻繁，因此需要超高的耐疲勞強度。我們一般所用的鋼索，包括斜拉橋上的鋼索，其強度都是200兆帕、200萬次彎曲的，但FAST的鋼索上需要裝上反射面板，需要經(jīng)常調(diào)換角度，不斷拉伸，再加上FAST至少需要應用30年，所以設(shè)計人員提出了安裝強度為500兆帕、200萬彎曲次數(shù)的鋼索。FAST工程團隊和柳州歐維姆機械股份有限公司等單位合力攻關(guān)。

　　FAST工程研究人員歷經(jīng)了無數(shù)次的失敗。比如，當他們試驗到350兆帕的時候，僅彎曲6萬次就失敗了；他們?nèi)绻鲆淮?00萬次的彎曲試驗，就需要10天。經(jīng)過工程團隊的不懈努力，柳州歐維姆機械股份有限公司終于研發(fā)出了符合要求的新的鋼索材料、包裹材料和制造工藝，滿足了FAST的要求。同時他們也申請了12項專利。如果這種鋼索使用到斜拉橋上，將大大提高橋梁的質(zhì)量和壽命。

　　望遠鏡的饋源艙是在天線鍋中心的正上方吊起來的，由鍋外6個支撐塔通過鋼索共同拽住。饋源艙需向外傳輸?shù)男盘枺夹杞柚嗡系墓饫|輸出，不能使用無線通訊。因為饋源艙需要不斷地調(diào)整位置，拽著它的鋼索就需要不斷地拉伸，附著其上的信號光纜也隨著不斷拉伸。FAST工程團隊設(shè)計了一種“窗簾式”的機構(gòu)，信號線和電源線耷在鋼索上，可隨鋼索一同拉伸。這不僅要求它們要能夠抗彎曲疲勞，而且還需要信號線內(nèi)的光纖在拉伸中不致信號衰減。

　　國內(nèi)以前對光纖彎曲的要求一般幾十次就可以了。而FAST工程要求光纖5年抗彎曲疲勞6.6萬次。

　　FAST工程團隊與北京郵電大學、武漢烽火通訊公司、北京康寧光纜公司等合作攻關(guān)，研發(fā)了4年，終于制造出了突破10萬次彎曲疲勞壽命的48芯動光纜，同時讓信號衰減達到最低，達到了FAST的要求，同時刷新了世界紀錄。

　　大科學工程就是通過這些苛刻條件的提出與實現(xiàn)，推動著國內(nèi)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級。

　　預計兩年后，F(xiàn)AST獲得的信號，將通過這條光纜傳輸?shù)酵饨?。每天會有海量的?shù)據(jù)在貴州、北京和全世界的計算機中分析。FAST好比一把更密的篩網(wǎng)，能撈出宇宙中更多的漂流瓶。中國的工程專家是實現(xiàn)這一奇跡的功臣。

（原載于《科技日報》 2015-02-25 01版）