任何科學(xué)研究，都處于人類認(rèn)知的前沿，它本身就帶有幻想和夢(mèng)想的雙重屬性。我們需要通過(guò)教育、通過(guò)鼓勵(lì)好奇心和那些偉大而富有野心的夢(mèng)想、甚至是幻想，不斷推進(jìn)科研發(fā)展的進(jìn)程。

——摘自第六屆IEIC大會(huì) 李菂分享

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、FAST首席科學(xué)家

李菂 | 第六屆IEIC大會(huì)學(xué)校發(fā)展論壇專題報(bào)告

“人類失去想象，世界將會(huì)怎樣?”

一直以來(lái)，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(jìn)、一次次工業(yè)革命，到人工智能飛速發(fā)展，都離不開(kāi)對(duì)未來(lái)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(guó)際教育創(chuàng)新大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、FAST首席科學(xué)家李菂教授分享了主題為《幻想的價(jià)值》的演講，結(jié)合“中國(guó)天眼”的運(yùn)作原理及開(kāi)發(fā)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)了孩子好奇心、幻想的重要價(jià)值，對(duì)未來(lái)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(huì)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(mèng)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(guó)天眼，圖上有一個(gè)光的螺旋線，實(shí)際上是一輛卡車從我們這個(gè)世界上最 大的觀天設(shè)備底下開(kāi)過(guò)去的痕跡。這個(gè)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(lái)、雨水也能漏下去。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

這樣一個(gè)直徑500米的“大鍋”，可以裝下30個(gè)足球場(chǎng)，是我們國(guó)家天文觀測(cè)的大科學(xué)裝置。中國(guó)天眼是它的昵稱，它的嚴(yán)格稱謂是“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)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(mèng)想，甚至于幻想。

今年10月21號(hào)，我去成都參加了世界科幻大會(huì)，大會(huì)頒布了今年的“雨果獎(jiǎng)”，當(dāng)時(shí)會(huì)場(chǎng)的布置就充滿了科幻的元素，主要靈感來(lái)自于劉慈欣先生的作品，有《流浪地球》中的機(jī)器人，以及《三體》中的“水滴”設(shè)計(jì)，背景中閃閃發(fā)光的部分其實(shí)是一個(gè)電梯。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

實(shí)際上，任何科學(xué)研究，特別是我們這種幾乎沒(méi)有實(shí)用價(jià)值的天文研究，它處于人類認(rèn)知的前沿，所以它本身就帶有幻想和夢(mèng)想的雙重屬性。

而中國(guó)天眼這項(xiàng)設(shè)備經(jīng)過(guò)20多年的建設(shè)，從2020年開(kāi)始正式運(yùn)行，到現(xiàn)在不過(guò)三年多的時(shí)間，但它已經(jīng)承擔(dān)了超過(guò)400個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目，有來(lái)自超過(guò)30個(gè)國(guó)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(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”的成果。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

可以說(shuō)，天眼早期的產(chǎn)出效率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guó)家天文臺(tái)的武向平院士和中國(guó)科協(xié)聯(lián)合組織了面向中小學(xué)生的中國(guó)天眼觀測(cè)項(xiàng)目征集，收到了將近8.000份申請(qǐng)，每一份申請(qǐng)背后，都充滿了孩子們無(wú)盡的好奇心和各種各樣有趣的幻想元素。

“中國(guó)天眼”的開(kāi)發(fā)過(guò)程

我們?cè)賮?lái)看看這項(xiàng)設(shè)備。它看起來(lái)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(guó)在1963年建成的阿雷西博望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的成果獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

然而，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的誕生，極具革命性和意外性，甚至和天文研究沒(méi)有任何直接的關(guān)系。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

剛開(kāi)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(dá)探測(cè)研究電離層，在他的計(jì)算中，需要一根300米的天線來(lái)完成這項(xiàng)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(jí)，William E.Gordon博士突然提出了300米這樣一個(gè)跨越性的概念，就帶了一些瘋狂的幻想元素。

而且，通過(guò)后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，他的計(jì)算是有問(wèn)題的。僅僅幾個(gè)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(shí)現(xiàn)。

盡管如此，William E.Gordon博士的這項(xiàng)計(jì)劃依舊得到了美國(guó)新成立的先進(jìn)研究項(xiàng)目委員會(huì)(ARPA)的資助和支持，這也是基于當(dāng)時(shí)的時(shí)代背景，美國(guó)和蘇聯(lián)正在開(kāi)展一場(chǎng)激烈的太空競(jìng)賽，雙方在這方面的投入都相當(dāng)大。

而阿雷西博望遠(yuǎn)鏡正是ARPA資助的第一個(gè)項(xiàng)目。實(shí)際上，ARPA現(xiàn)在依舊存在，它轉(zhuǎn)向了美國(guó)國(guó)防部，前面增加了一個(gè)單詞：Defense，變成了DARPA，性質(zhì)上有點(diǎn)類似一個(gè)帶有國(guó)家戰(zhàn)略意志的投資公司。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

它先后進(jìn)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(dòng)汽車、頁(yè)巖油等前瞻性技術(shù)的發(fā)掘，可以說(shuō)是相當(dāng)成功。

回過(guò)頭來(lái)再看阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，也一直在更迭升級(jí)，并且誕生了新成果。在1973年，美國(guó)麻省大學(xué)的泰勒教授和他的學(xué)生豪斯通過(guò)觀測(cè)雙中子星相互纏繞的現(xiàn)象，用愛(ài)因斯坦的理論精確的計(jì)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(xiàng)發(fā)現(xiàn)獲得了1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

到了90年代中期，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)是一個(gè)非常成功的、領(lǐng) 先世界的、載入史冊(cè)的大科學(xué)工程。1996年，來(lái)自國(guó)家天文臺(tái)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(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察。此后，他們提出要在中國(guó)建設(shè)20個(gè)阿雷西博這樣的巨型望遠(yuǎn)鏡，并組成一個(gè)陣列，更好地進(jìn)行天文研究。

那么到了今天，其中有一個(gè)成功延續(xù)了下來(lái)，它就是中國(guó)天眼。

九十年代中后期，我在康奈爾大學(xué)攻讀博士，當(dāng)時(shí)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(xiàng)目科學(xué)家，2009年有幸第一次到中國(guó)天眼的現(xiàn)場(chǎng)，2012年回國(guó)全職參與FAST建設(shè)。

一直到2012年8月，F(xiàn)AST項(xiàng)目還只是一個(gè)“坑”，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)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(chǎng)工作;到了2016年9月25日，F(xiàn)AST項(xiàng)目正式竣工，獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的泰勒博士也來(lái)到現(xiàn)場(chǎng)參加竣工典禮;隨后就是一系列的驗(yàn)收環(huán)節(jié)，直到2020年，F(xiàn)AST才通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，成為一個(gè)正式的大科學(xué)裝置。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

中國(guó)天眼是如何推動(dòng)

我國(guó)天文學(xué)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的?

FAST項(xiàng)目的建成，推動(dòng)了一系列項(xiàng)目開(kāi)展和技術(shù)進(jìn)步。我們希望用原創(chuàng)的思想和先進(jìn)的電子學(xué)設(shè)備，高效率地同時(shí)進(jìn)行多科學(xué)目標(biāo)的觀測(cè)。這是我目前領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)世界首創(chuàng)的巡天計(jì)劃：CRAFTS(Commencer Radio Astronomy Fast Serving)，翻譯過(guò)來(lái)就是手藝，現(xiàn)在是FAST五個(gè)優(yōu)先重大項(xiàng)目之一。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是望遠(yuǎn)鏡不動(dòng)，利用地球的轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)讓它的指向飄過(guò)天空。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

目前，該項(xiàng)目已經(jīng)催生了FAST的第一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)——一個(gè)距離我們大約1.6萬(wàn)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(hào)，我們正式公布了這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，它也被稱作是代表中國(guó)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(shí)代開(kāi)啟的重要標(biāo)志。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

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(guò)2019年的一次系統(tǒng)觀測(cè)，在2021年發(fā)表的來(lái)自叫做“快速射電暴：FRB121102”的一個(gè)非常大的爆發(fā)樣本集。

“121102”這一串號(hào)碼代表了這個(gè)信號(hào)第一次出現(xiàn)在人類的數(shù)據(jù)里的時(shí)間，就是2012年11月2號(hào)。不過(guò)當(dāng)時(shí)我們并不知道這個(gè)信號(hào)的存在，也沒(méi)有把它找出來(lái)。

而第一次捕獲這個(gè)信號(hào)的，就是中國(guó)天眼的前身——美國(guó)的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡。中國(guó)天眼FAST由于靈敏度更深，我們?cè)谝粋€(gè)半月的時(shí)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(lái)展現(xiàn)這個(gè)重要成果。圖中大家看到的從遙遠(yuǎn)的星系中一個(gè)神秘爆發(fā)源過(guò)來(lái)的、一股一股像是這種水流的波動(dòng)，就是來(lái)自天眼真實(shí)的脈沖數(shù)據(jù)。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

所謂的“快速射電暴”，就是這里的每一個(gè)起伏。每一個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間只有千分之幾秒，但它可能蘊(yùn)含了太陽(yáng)一整年甚至幾年的總輻射能量。直觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，每一個(gè)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(huì)用1萬(wàn)億年的能量。

這種現(xiàn)象目前對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)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(guó)天眼探測(cè)到的1.652個(gè)脈沖，已經(jīng)超過(guò)了截止到2021年底，整個(gè)領(lǐng)域14年之內(nèi)所有出版物發(fā)表的總和。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)成功入選了2021年度的“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。所以中國(guó)天眼盡管是基于阿雷西伯望遠(yuǎn)鏡的概念，但它的實(shí)際接收效率，要比阿雷西伯望遠(yuǎn)鏡高出2-3倍;它的巡天效率，基于中國(guó)一系列的原創(chuàng)技術(shù)，也要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

我在讀博期間曾利用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡做了一個(gè)宇宙原子氫氣的觀測(cè)，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(jiǎn)寫是 “HINSA”。之后經(jīng)過(guò)將近20年的艱苦努力，最終由中國(guó)天眼實(shí)現(xiàn)了用HINSA方法對(duì)于星際磁場(chǎng)的精確測(cè)量。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

這項(xiàng)工作成果是2022年初第一期《自然》的封面，它的信號(hào)特征就是右下這個(gè)所謂HINSA的塞曼效應(yīng)，它代表的是大概四個(gè)微高斯的微弱的星際磁場(chǎng)。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

四個(gè)微高斯是什么概念呢?它大概相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的1/100.000.而這跟很多經(jīng)典的模型推測(cè)結(jié)果是不一樣的。因此這個(gè)結(jié)果也被業(yè)內(nèi)同行稱作“一個(gè)有創(chuàng)新的方法產(chǎn)生的極端重要的觀測(cè)”。它對(duì)這個(gè)領(lǐng)域還存在其它潛在性的革命性的影響。

中國(guó)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(shuō)，即使一根天線做得再長(zhǎng)，上限就是幾百米，不可能做到上千米。

有一個(gè)在70年代就獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(kāi)，然后組合它的信號(hào)。我們把它叫做綜合孔徑的望遠(yuǎn)鏡，用它同時(shí)做探測(cè)的就是合成孔徑雷達(dá)。

它們都基于光的波動(dòng)性質(zhì)，物理和工程的基礎(chǔ)是一樣的。

中國(guó)科研的發(fā)展

離不開(kāi)學(xué)生們的幻想與超越

這一年多以來(lái)，我們和山東濟(jì)南章丘的齊魯師范學(xué)院進(jìn)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(guó)高校第一個(gè)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(shí)候，由一個(gè)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。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

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(hào)，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(lái)的八角星紋彩陶豆的圖案，設(shè)計(jì)了天文學(xué)系的系標(biāo)。

系標(biāo)采用內(nèi)方外圓的設(shè)計(jì)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(duì)天空的好奇心、夢(mèng)想以及幻想。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

今年年初(2023年2月28號(hào))，正好是《流浪地球2》上映播出，人民日?qǐng)?bào)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(duì)中國(guó)的科學(xué)和科幻做了一些評(píng)論。下面是我交上去的稿件，其實(shí)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(kāi)一個(gè)風(fēng)華正茂的國(guó)家，一個(gè)朝氣蓬勃的時(shí)代。中國(guó)天眼的一系列發(fā)現(xiàn)，正是得益于中國(guó)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(guó)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(chǎng)景就不會(huì)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(gè)國(guó)家或者一個(gè)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。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

我們所從事的天文學(xué)領(lǐng)域，在中國(guó)天眼以前，實(shí)打?qū)嵉芈浜竺绹?guó)50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(lái)的科學(xué)和科幻，有更多的原創(chuàng)，更多的坦然和一往無(wú)前。

中國(guó)天眼是中國(guó)過(guò)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(jìn)程的一個(gè)反映、一個(gè)代表。

圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會(huì)PPT分享

我們這一代人既是這個(gè)進(jìn)程的受益者，也是這個(gè)過(guò)程的參與者和建設(shè)者。在未來(lái)，希望通過(guò)教育、通過(guò)鼓勵(lì)好奇心和那些偉大而富有野心的夢(mèng)想、甚至是幻想，可以把科學(xué)發(fā)展進(jìn)程一直延續(xù)到更深的21世紀(jì)。