大国重器中国天眼的前世今生

　　2016年9月25日，世界上最大的望远镜500米口径球面射电望远镜FAST（又名天眼）落成启用。在突破一个个难题之后，这个曾经被公认为世界难题的天文项目，终于光彩夺目地屹立于世界天文学的前沿。中国科学家曾打过这样一个比方：如果有人在月球上打手机，也难逃中国天眼的视线。这意味着，宇宙中最微弱的无线电信号也会被世界上最灵敏的中国天眼所捕捉。美国人说：中国最大的天文望远镜将开始搜寻外星人。英国人说：中国未来可能的发现甚至会超出我们最疯狂的想象。
　　1993年的世界无线电科学第24届联盟大会上，射电天文专门委员会专门组织了一场题为第三个千年的射电望远镜的学术报告讨论会，这个讨论会专门讨论了下一世纪射电望远镜的发展前景。被称作天眼之父的南仁东当时作为中国代表参加了这个会议，正是这个会议，在南仁东的脑子里催生了一颗梦想之芽。因为在当时，中国天文学家首先要面对的问题是我们没有像样的射电望远镜。我们的天文学家想做一次天文观测，都得去借其他国家的望远镜；想用观测数据，得捡别人用过的。
　　一起出席这次会议的中国代表还有北京天文台的吴大伟，他跟南仁东是老同事了。因而南仁东认为这个会如果能让自己激动起来，就一定也能让吴大伟激动。休会时间他便迫不及待地找到吴大伟，激动地说：老吴啊，咱们也建一个吧！别人都有自己的大设备，可我们国家最大的射电望远镜口径只有25米。吴大伟问：你想建多大一个？成立这个‘国际无线电科联大射电望远镜工作组’的决议半小时前才通过，大型望远镜的科学论证及可行性方案论证的研究要这个会后才正式开始。
　　南仁东说：那又怎样？咱们要建就建个全世界最大的，一个比‘阿雷西博’还大的，500米口径的，如何？
　　吴大伟给惊得两眼发直，说：你以为建一个射电望远镜那么容易吗？
　　南仁东说：我当然知道不容易，但我们不能因为不容易就不建呀。我也不是一时心血来潮，我可是琢磨了很久了。没有自己的望远镜，我们这帮天文学家能干什么呢？
　　那个时间，南仁东还在日本东京任客座教授。吴大伟回国后就在北京天文台的一次重要会议上把南仁东的想法提了出来。当时大家都一致认为：想法倒是好，可要建那么大个射电望远镜，起码得投资几十个亿，几乎就是异想天开。
　　可在南仁东脑子里，这个梦并没有因为它近乎异想天开而枯萎。1994年3月的一天早上，他出现在了中国科学院内的小道上为了这个梦想，他毅然放弃了人人羡慕的高薪，回国来专门见周光召院长。落座后，周院长说：你要回来，我们是打心眼儿里高兴啊。两天前我们就开了个会，专门讨论安排你在天文台那边任个副台长。
　　南仁东说：我这次回来，不是来跟院里要职位的，我只想在我们的国土上建一个大望远镜。别人都有大设备，我们没有，所以我很想建一个。南仁东的话令周院长振奋而欣慰，激动地说：那你就甩开膀子干吧，院里绝对支持你的想法。
　　（一）为何被命名为FAST
　　每一个梦想，都不是轻易就能实现的。为了建成这个500米口径的射电望远镜，1994年4月，首先启动了工程选址工作，并由此开始了长达13年的项目预研究。
　　13年是个什么概念？这个时间可以让一个婴儿长成少年，也可以夺走一个成人的全部风华。可是对于中国天文学家们的这个梦想来说，它只能是一个孕期。
　　那一年，从北京到贵州的火车还是绿皮的，单程也得跑上三十多个小时。南仁东和他的选址团队选择乘火车去贵州，是为了节省钱。为了不把时间浪费在路上，他们尽量把一些工作安排在火车上干。比如计算那些待解的方程，比如查看成堆的遥感图，再比如，琢磨一下这个射电望远镜的名字。父母从来就对孩子的命名非常重视，非得要翻遍字典寻找最能寄托自己希望的那几个字来为自己心爱的孩子命名，可你意想不到的是，FAST这个名字却诞生于一个科学家和一个文盲之间的一场闲聊。
　　那天，南仁东从列车卫生间回来，又叫聂卫东替他拿遥感图。硬卧铺位空间很有限，聂卫东的下铺是一个很富态的中年女人，当时正坐在窗口吃泡面。聂卫东爬在铺位上伸着手往下递包，不小心碰到了她的头，便惹来了大声地抱怨：你搞哪样？小心点！
　　两人争着道完歉，也算是跟这位老乡搭上了讪。女人继续吃她的泡面，南仁东却跟她拉起了家常。我听口音，大姐是贵州人？南仁东问。女人撇嘴瞪眼，说：你多大呀，叫我大姐，我有那么老吗？南仁东笑起来，说：我们东北人，对女性都尊称‘大姐’。女人释怀了，问：你们去贵州搞哪样？南仁东说：去找一个台址。说完才意识到对方可能不懂，又说，去找一个坑儿。
　　去找一个坑儿？女人显然还是没法懂。那会儿南仁东正好摆弄开了几张图纸，就把图纸举起来让她看，说：是的，我们要到这些地方，去找一个坑来建望远镜。望远镜？女人自语道。她能想到的也就是孩子们架在鼻子上那种玩具望远镜，跟一个坑扯不上关系。她不经意地白了对面的南仁东一眼，心里想自己可能遇上了一个疯子。而这时候，南仁东却感觉到自己的胃有了动静，于是他对聂卫东说：不如我们也来碗泡面？
　　聂卫东说：你又要吃泡面？
　　南仁东说：我想吃泡面。
　　对面的老乡扑哧一声喷了饭，赶紧拿纸满嘴擦。南仁东问：大姐你笑什么？
　　女人说：我笑你呢，又不是害喜了，还想吃这想吃那的。害喜，是怀孕的一种民间说法。
　　南仁东一听，开心了，说：你别说，我最近还真害喜了。他说这话的时候得意地看着聂卫东，他希望聂卫东也能跟上他的幽默节奏，最好笑上一笑。
　　聂卫东果真笑了一下，说：这个娃儿可长得不小啊！
　　南仁东哈哈大笑起来，说：是哩，一个大胖小子啊！
　　那期间女人一直在拿白眼看他们，如果一开始还不能确定这是个疯子的话，她想这回应该可以确定了。
　　南仁东也没看她的眼色，自顾自地高兴。不光如此，他还要请教她：大姐，你们怀上了孩子之后，心情是个啥样儿？
　　女人没好气地回答他说：啥样儿呢？就是巴不得快点生下来喽。她这不经意间的一句应付，却令南仁东傻了好一会儿，然后找到笔记本，心急火燎地翻找到一页，在那里停顿下来。那一页纸上写着：FiveHundredMetersApertureSphericalRadioTelescope（500米口径球面射电望远镜）。因为这句话的重要，这页纸已经给翻得很皱了。也不知道南仁东盯过它多少次了，估计盯它时的心情，正好跟那个女人说的一样：巴不得快点儿生它下来。突然间，南仁东想到是啊，他们何尝不是时刻在盼望着它快一点出生呢。快，FAST！像是冥冥之中自有定数，500米口径球面射电望远镜的英文名称里就藏着这个词语。南仁东难以抑制自己激动的心情，盯着聂卫东说：我们的望远镜有名字了！叫FAST。FAST？聂卫东一脸不解。对，快！迅速！我希望它快一点变成现实！没想到吧？这个名字其实就藏在那个英文名称里FiveHundredMetersApertureSphericalRadioTelescope！
　　他说，我冥思苦想了那么久，却没想到‘得来全不费工夫’！这名字太好了！
　　（二）在大窝凼安家落户
　　2000年，中国提出的FASTSKA工程概念方案与美国的ATA、荷兰的相位阵AAT、加拿大的主动反射面加球载馈源LAR、澳大利亚的luneburg透镜阵和柱面镜、印度的双预载荷抛物面天线PPD等一并进入国际SKA操作委员会的视野。中国的设计方案因为造价较低；技术较为成熟；从望远镜的类型上看，它既非全可动，也非完全固定，在一定程度上兼顾两者之长；在主要技术指标上超过现有世界最大全可动望远镜1个数量级而名列前茅。
　　终于，2007年7月，FAST立项了！
　　可是，对于FAST来说，单是为它找家，就让整个团队费尽精力。因为可供参考的只有几千张地质图，他们刚开始时只能从1：500000的地形地质图看起。首先从岩石的分布特征排除窝肯定不会出现的地理位置，然后再在其他区域寻找可能适合望远镜安家的窝。然后再精确到1：10000，在一张张茶几大小的图上，沿着密密麻麻的等高线找圈圈，并做好标注。就这样从8000多幅图中，找出一万多个圈圈，花掉了一个科研团队整整三个月时间。或许办法是笨了点，但科学来不得半点马虎。除了它得是个窝，还得苛刻地评价窝内的岩体结构、水文情况、长短轴比例、挖填方率是否合适，还有窝口的闭合情况、几何形状是否达标，以及整个窝的地质灾害、地震风险、气象条件、无线电环境等是否满足条件。除此之外，望远镜的自身安全也很关键。一旦窝底的排水系统堵塞，山体中的水将无法流入地下暗河，望远镜就有被淹没的危险。单单这一项，科研团队就得花很多时间找水源。就是找到每一处水源，沿着明河、暗河行走来研究水动力的过程，时常也需要走上很长时间。
　　因此，到了2003年7月，他们才从一万多个窝中筛选出743个，形成了窝的正式备选洼地数据库。而这743个洼地，都得去走去看，那些被列为优选的，还得走上很多次。好在这七百多个洼地数据库中有一个大窝凼。不管时间过去多久，他们都能清晰地记得和它最初相遇的那一刻。那一刻他们经历了只有一见钟情时才有的心动。那一刻，是他们阅尽了几百个窝凼之后的巨大惊喜众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处。
　　那一刻，南仁东喜不自禁地喊道：这里好圆！但是，圆，并不代表就适合FAST。科学，必须理性。
　　2004年2月至2005年2月，贵州省无线电管理委员会和贵州省气象局对大窝凼进行了长达一年的无线电环境检测和气候环境监测。与此同时，在洼地三维仿真和台址优选系统的支撑下，通过专业的定性分析和定量计算，科研团队给出了首批FAST核心备选台址，推荐中排名第一的窝，就是大窝凼。
　　大窝凼不仅地形与FAST的球面设计十分贴合，而且周围排列的山峰，还可以有效地作为FAST圈梁构架的支撑基础；同时，它还有优良的排水功能，可以保障雨水向地下渗透，从而避免了水在表面淤积而造成对望远镜的腐蚀和损坏。其次，大窝凼在5千米半径内没有一个乡镇，25千米半径内只有一个县城，四周山峰环绕，又能有效地避免电磁波干扰，是一个理想的宁静区。再加上它从未有过自然灾害的历史记录，大窝凼，已经证明了自己是FAST独一无二的选择。最终得出这个结论的那一天，南仁东忍不住喜极而泣了。队友们全都看见了他的眼泪，那些从1994年就等待在他泪腺里的泪珠，终于在那一刻欢欣地涌出眼眶，被他那双黝黑而又粗糙的手揉碎在脸颊。寻寻觅觅十多年啦，他们终于为FAST找到了家！
　　那是一个艳阳天，天空蓝得如海，当空的太阳将大窝凼照得如粉面少年一般朝气蓬勃。南仁东站在山顶，看着大窝凼对他的团队说：如果我们在平地上挖这样一个直径500米的大坑的话，预计要耗资30多亿元。因为这不仅仅是挖一个坑的事情，从建筑需求来讲，还要保证它在今后相当长的时间内不会发生塌方。而我们有多少钱？我们的项目资金只有6亿。就是说，我们所有的项目资金，都不够用来挖这样一个坑儿。像这样的天然洼地，经历了上百万年甚至上千万年的沉降，是一个很稳定的凹坑，可以保证几十年甚至上百年都没有问题。
　　说到这里，他深吸了一口气，骄傲地自语道：就它了。
　　2008年12月26日，FAST终于迎来了它的奠基日。这天，由中国科学院与贵州省人民政府合建的、国家科教领导小组审议确定的国家九大科技基础设施之一500米口径球面射电望远镜（FAST），在贵州省平塘县克度镇大窝凼举行了隆重的奠基典礼。
　　（三）攻坚克难筑天眼
　　一个高入天际的梦想，必须建立在坚实的科研成就之上。FAST是一个全新的创新工程，涉及近二十个专业，没有先例可循，没有先进经验可以借鉴。这个世界上没有适合FAST的现成钢索，他们只能自己研制，为FAST量身定做。原本在FAST工程项目上与国家天文台进行合作的科研、工程单位有几十家，但曾做过钢索疲劳实验的只有一家。而且，这一家也无法提供可以借鉴的经验。FAST的钢索问题，必须从头独辟蹊径。
　　关于钢索疲劳问题，业内当时有多种不同看法。有认为是摩擦腐蚀问题，有认为是锚固技术问题。要为FAST量身定做钢索，就得从源头上找到问题的根源，因此研制过程非常煎熬。
　　那一阵，总工程师南仁东已经消瘦得不行了，并咳血好一阵子了。有一天，同事们硬把他拖上车，逼他去县医院。可他到了县城只买了两盒止咳药就往回赶，因为他突然想到了一个解决钢索疲劳的办法。回到工地，他便召集钢索组的所有成员开会，谁也想不到他会提出用弹簧作为弹性形变的载体，来解决钢索疲劳问题。对于科学来说，这无疑太天马行空了。他说完之后，其他成员全都无语地张着嘴。所有成员的表情都在告诉他，这个想法有多不切合实际。为什么？他着急地问，为什么不可以？没有人回答他为什么。负责这个项目的工程师姜浩宇慢吞吞地走到黑板前，开始照着南仁东的设想画设计图，图画完，就什么话都不用说了。姜浩宇将粉笔头扔到地上，退到一边看着南仁东，南仁东满心的希望就这么一点一点地暗淡下去，直到熄灭。
　　钢索研制工作要在涂层改善、锚固技术等几个方向上同时开展，这就意味着他们得一次又一次反复地实验。实验次数不是十次二十次，而是一百多次！他们请上海、南京等地的十几家单位，以及国外钢索结构的顶级专家一起来评审。幸运的是，在这个过程中，他们找到了一家既懂技术又有经验，同时又愿意合作的厂家。最终，这家厂在工艺控制上为FAST提供了经验和产品，FAST的钢索才被研制出来。
　　接着是馈源舱。在几次馈源支撑缩尺模型试验中，馈源舱的指向一直不能达到最大的观测角要求。如果达不到40度的角度，就看不到银河系的中心。作为项目总工程师，南仁东曾提出在馈源舱周围加一圈流体或半流体的水环。流体受到重力影响集中在某一方向，便可有效补偿姿态控制的不足，使馈源舱的角度发生相应变化。但通过实验，又是他提出放弃水环的方案。FAST最终采用了钢索牵引驱动的轻量化柔性馈源支撑模式。
　　还有反射面的问题。主动反射面技术在以往的射电望远镜中虽已有应用，但都用在小范围的改变上，目的是通过改变单元反射面的位置来保持整个反射面的抛面形状，而FAST的反射面要进行大范围的运动，每一个单元反射面的作用是要将球面改成抛物面，通过主动的变形实现对天体跟踪式的观测。实现这种跟踪观测，对反射面上空的馈源舱定位精度要求很高。目前规模世界第二的美国阿雷西博射电望远镜球面口径为305米，由100米高的三座铁塔支撑着一个重达500吨的三角形平台和可移动馈源臂，以及下方悬挂着的重75吨的圆屋组成馈源舱。305米口径的望远镜，这个平台的长度大概在百米量级，如果我们500米口径的望远镜仍然采用这种结构，平台长度至少要达到250米，这个不太现实。因而，数千块单元组成的球面主动反射面技术，是FAST的最大创新点之一。
　　FAST是南仁东他们跟这个世界提出的一个挑战。从一开始，就意味着他们的每一步都面临着技术的革新与突破。因为他们的前面，没有任何经验可循。在漫漫的预研究和建设长路上，他们坚持FAST科学目标，构建了利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址；洼坑内铺设数千块单元组成500米口径球冠状主动反射面；采用轻型索拖动机构和并联机器人，构建望远镜接收机的高精度定位等三大自主创新。这一路走来的近二十年里，他们突破了一系列技术难题发明了500MPa耐疲劳拉索，实现了高效握拔力锚固技术、大跨度索网安装和精度控制。
　　2016年9月25日，FAST终于迎来了它的成人仪式。这一天，它以世界之最的荣誉骄傲地站到了世界面前，它的几大技术创新和突破，注定了它在未来的20至30年，都将保持世界一流的水平和地位，它无疑是当今世界天文学界的奇迹！
　　2017年11月17日，中宣部追授南仁东时代楷模荣誉称号，由南仁东的亲属代领了时代楷模奖章和荣誉证书。
　　替他领奖的南夫人在颁奖台上如是说：我的先生南仁东，是千千万万中国知识分子当中的普通一员，普通得不能再普通。是这个伟大的时代成就了他，使他点点滴滴平凡的工作和生活折射出不平凡的光辉；是博大精深的中华文化滋养了他，养成他淡泊名利、坚持真理、一诺千金、善良勤劳的优秀品格；是无数科技泰斗教育和影响了他，给予他渊博的学识，铸就了他敢为人先、迎难而上、坚忍不拔的科学精神。
　　她说：追授南仁东的这块奖牌上，凝聚着祖国和人民对每一位普通劳动者的期待。我想，对我们来说，没有天赋，那就更勤奋一些；没有机遇，那就再坚持一下；没有传奇的过往，那就让未来充满正能量，为他人、为社会、为国家乃至为了这个伟大的时代，去作些点点滴滴又实实在在的贡献。
　　23年，天眼从孕育到降生再到长大成人，每一步都渗透了FAST科研团队的心血和汗水。这只眼睛，作为一个多学科基础研究平台，可以将视线伸向宇宙边缘，观测暗物质和暗能量，寻找第一代天体。截至2018年9月，这个建成仅仅两年的全球最灵敏的单口径射电望远镜，已经发现了44颗新脉冲星。2018年10月15日，中科院国家天文台宣布，经国际天文学联合会小天体命名委员会批准，国家天文台于1998年9月25日发现的国际永久编号为79694的小行星被正式命名为南仁东星。这是天文学界对他的肯定与致敬。