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(yuǎn)鏡全景。FAST工程辦公室提供

　　開(kāi)欄的話 大科學(xué)工程是20世紀(jì)以來(lái)世界科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，也是一個(gè)國(guó)家創(chuàng)新力以及核心競(jìng)爭(zhēng)力的主要表征。就當(dāng)今世界科技而言，一個(gè)國(guó)家在關(guān)鍵領(lǐng)域領(lǐng)先一步，哪怕只是一小步，往往都會(huì)造成“勝者全得”或者“強(qiáng)者恒強(qiáng)”的局面。而為實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先一步，大科學(xué)工程當(dāng)之無(wú)愧地成為“國(guó)之重器”。從“兩彈一星”到載人航天，從北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)到大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)，中國(guó)每一次重大科學(xué)突破，幾乎都與大科學(xué)工程聯(lián)系在一起。新中國(guó)成立后，中國(guó)的大科學(xué)工程同時(shí)面向國(guó)家戰(zhàn)略需求和世界科學(xué)前沿，通過(guò)核心技術(shù)突破和資源集成，取得了諸多決定著國(guó)家地位和命運(yùn)的重大成果。歷史和現(xiàn)實(shí)一再見(jiàn)證，搞大科學(xué)工程是中國(guó)科學(xué)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(shì)的集中體現(xiàn)。本報(bào)今天開(kāi)始以新欄目“走近中國(guó)大科學(xué)工程”，引領(lǐng)讀者徜徉最前沿的科學(xué)天地，并深度感知那些和平發(fā)展的中國(guó)故事。

　　■走近中國(guó)大科學(xué)工程

　　從貴陽(yáng)機(jī)場(chǎng)驅(qū)車向南，經(jīng)高速公路轉(zhuǎn)上土石路，顛簸3個(gè)小時(shí)，穿過(guò)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(yuǎn)鏡的圈梁。

　　走上FAST（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)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(zhǎng)1.6公里，繞走一圈要40分鐘。

　　雞蛋粗細(xì)橡膠表面的索繩，攀附圈梁懸垂交錯(cuò)，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(yù)計(jì)2016年成型，中國(guó)的射電天文學(xué)屆時(shí)將領(lǐng)跑世界。

　　越大越好

　　電視收不到信號(hào)時(shí)，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(lái)自太空的射電信號(hào)。1931年，美國(guó)一位電子工程師發(fā)現(xiàn)，銀河中心能傳來(lái)有規(guī)律的電波。這開(kāi)創(chuàng)了射電天文學(xué)。

　　射電跟光沒(méi)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(jiàn)光再到紅外線和射電，各有監(jiān)測(cè)這些不同波段電磁波的望遠(yuǎn)鏡?！吧潆姟笔潜燃t外線頻率還要低的電磁波段。

　　射電望遠(yuǎn)鏡，跟收衛(wèi)星信號(hào)的天線鍋是一回事。通過(guò)鍋的反射聚焦，把幾平方米到幾千平方米的信號(hào)聚攏到一點(diǎn)上。射電天文學(xué)家是裝備最高級(jí)的無(wú)線電愛(ài)好者，他們聆聽(tīng)的信號(hào)不是人造的，而是“天生”的。

　　為了提高射電望遠(yuǎn)鏡的表現(xiàn)，天文學(xué)家想出一個(gè)辦法，就是讓許多個(gè)天線鍋對(duì)準(zhǔn)同一目標(biāo)，通過(guò)比對(duì)信號(hào)算出更精確的信號(hào)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(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)FAST工程首席科學(xué)家、總工程師南仁東說(shuō)，宇宙空間混雜各種輻射，遙遠(yuǎn)的信號(hào)像雷聲中的蟬鳴，沒(méi)有超級(jí)靈敏的耳朵就分辨不出來(lái)。

　　1993年?yáng)|京召開(kāi)的國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟大會(huì)上，包括中國(guó)在內(nèi)的10國(guó)天文學(xué)家提出建造新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”。他們期望，在全球電信號(hào)環(huán)境惡化到不可收拾之前，能多收獲一些射電信號(hào)。建造FAST的動(dòng)機(jī)肇始于此。

　　FAST之前，世界上最大的射電天線鍋，一個(gè)是德國(guó)100米直徑的“埃菲爾斯伯格”，一個(gè)是美國(guó)300米直徑的“阿雷西博”。前者是可以移動(dòng)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(yuǎn)鏡非常困難。天線鍋要求毫米級(jí)的精度，在平地上建百米以上的天線鍋，自重就會(huì)造成形變，一陣風(fēng)也會(huì)讓它變形。有天文學(xué)家提出了思路：在喀斯特地形下常見(jiàn)的“天坑”里造。

　　最圓深坑

　　1994年底，北京天文臺(tái)（現(xiàn)國(guó)家天文臺(tái)）牽頭20所院校，提出了“喀斯特工程”。準(zhǔn)備從中國(guó)西南無(wú)數(shù)個(gè)喀斯特地貌的凹坑中，選出一個(gè)來(lái)建大望遠(yuǎn)鏡。

　　看過(guò)遙感圖，大家確定了300個(gè)候選的圓坑，經(jīng)過(guò)走訪又篩選出80個(gè)最圓的。貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村的一個(gè)圓形洼地——大窩凼，成為最有力的競(jìng)爭(zhēng)者?！佰省保羰?，水坑的意思。

　　“當(dāng)時(shí)到這里來(lái)勘測(cè)，明顯感覺(jué)比其他的凼更圓一點(diǎn)?！蹦先蕱|說(shuō)，他下踏了百個(gè)天坑，大窩凼最合適。

　　選一個(gè)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(chǎng)，南仁東指著坑底說(shuō)：“綠色的地面是沒(méi)有開(kāi)挖過(guò)的，黃色的是動(dòng)過(guò)土的?！蔽覀兡繙y(cè)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(huì)有一個(gè)至少浴缸大小的水洼，這是積水向下滲透的地方。天文學(xué)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(guò)FAST的天坑里，還是開(kāi)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(lái)要拉吊起信號(hào)接收器），南仁東說(shuō)，如果不依托天坑，這些鋼架就得從平地而起，不光造價(jià)承擔(dān)不起，也無(wú)法達(dá)到精度要求。

　　在天坑中建筑，很麻煩的一點(diǎn)是空間騰挪不開(kāi)。為此施工人員想了很多辦法，用人工補(bǔ)機(jī)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(diǎn)點(diǎn)搬運(yùn)到恰當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

　　毫米精度

　　FAST的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)的信號(hào)，聚集在藥片大小的空間里。不如此，就無(wú)法監(jiān)聽(tīng)到宇宙中微弱的射電信號(hào)。500米的結(jié)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度，是天文學(xué)家從未做過(guò)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(yīng)無(wú)法忽視。南仁東指著鋼架與邊框相接處說(shuō)，到了夏天，邊框會(huì)比冬天外移30厘米。1.6公里長(zhǎng)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(huì)歪斜。

　　FAST的天線鍋呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的球形，在工作時(shí)它會(huì)變形，在適當(dāng)?shù)奈恢眯纬梢粋€(gè)300米直徑的拋物面（只有拋物面才能聚焦信號(hào)，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(lái)轉(zhuǎn)換天線方向。

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

　　而在索網(wǎng)的上空，高高懸著一個(gè)類似于神舟飛船大小的饋源艙（信號(hào)接收單元），內(nèi)設(shè)世界最精貴的接收器。這個(gè)接收單元內(nèi)部，也有一個(gè)有六條伸縮腿的變形框架，負(fù)責(zé)把接收器放置在焦點(diǎn)上。30噸重的饋源艙，被六條400多米的鋼索吊起，移動(dòng)范圍達(dá)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(jí)，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(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST的靈敏度將提高10倍。這意味著，遠(yuǎn)在百億光年外的射電信號(hào)，F(xiàn)AST也有可能聽(tīng)到。

　　監(jiān)聽(tīng)奇跡

　　FAST建成后，天文學(xué)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?yàn)樾盘?hào)規(guī)律，開(kāi)始被誤認(rèn)為是外星人發(fā)出的信號(hào)?，F(xiàn)在普遍認(rèn)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(guò)地球。但也有一些證據(jù)似乎不支持燈塔模型。

　　南仁東說(shuō)：“現(xiàn)在我們偵測(cè)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(huì)避開(kāi)銀河，對(duì)準(zhǔn)別的星系，發(fā)現(xiàn)更多奇特的脈沖星，了解它是什么東西?！?/p>

　　南仁東說(shuō)：“我們很可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些前所未見(jiàn)的脈沖星現(xiàn)象，比如說(shuō)一個(gè)脈沖星和一個(gè)黑洞結(jié)對(duì)，那么就可能產(chǎn)生突破性的理論。”FAST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(tuán)的運(yùn)動(dòng)。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(gè)質(zhì)子加一個(gè)電子。本來(lái)從遠(yuǎn)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(jiàn)地倒轉(zhuǎn)了，一種波長(zhǎng)為21厘米的微弱電磁波就跑了出來(lái)。

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

　　由此，F(xiàn)AST觀測(cè)中性氫信號(hào)，就能獲知星系之間互動(dòng)的細(xì)節(jié)，還可能發(fā)現(xiàn)早期宇宙中剛剛形成的氫是怎么運(yùn)動(dòng)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(tīng)到一些太空有機(jī)分子發(fā)出的獨(dú)特電磁波，讓我們更精確地描繪出宇宙圖景。

　　如果幸運(yùn)，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(wú)意釋放的信號(hào)被地球收到，那肯定是FAST的功勞。

　　絕對(duì)安靜

　　在中國(guó)有人煙的地區(qū)，大窩凼附近算是電波稀少的了。我們路過(guò)附近的另一個(gè)凼——鉆過(guò)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(wàn)籟無(wú)音，令人心曠神怡。這里不通電線，最近一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)在5公里外。

　　射電望遠(yuǎn)鏡正需要這么一處?kù)o土。貴州省政府2013年出臺(tái)法令，在FAST周圍設(shè)立一個(gè)5公里無(wú)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(xiàng)目8公里的地方，散布有大小12個(gè)天坑組成的世界上最大的天坑群，其深度均超過(guò)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(guó)際天坑天文旅游目的地”。

　　而科學(xué)家們希望減少周邊人類活動(dòng)，避免電波風(fēng)險(xiǎn)。最靈敏的天線相當(dāng)于最嬌弱的耳膜，輕聲耳語(yǔ)對(duì)它無(wú)異于大喊。南仁東說(shuō)：“月亮上打手機(jī)，F(xiàn)AST也能聽(tīng)得一清二楚。”

　　不要說(shuō)用手機(jī)，就算是附近使用電器，或者幾十公里外有飛機(jī)向地面發(fā)送信息，在FAST那里會(huì)造成一場(chǎng)電磁風(fēng)暴。

　　因此，未來(lái)在FAST現(xiàn)場(chǎng)工作的科學(xué)家控制使用電器。FAST的監(jiān)聽(tīng)中心設(shè)在兩道山以外。FAST獲取的信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)奖O(jiān)聽(tīng)中心，再傳送到外界，全程不能用無(wú)線裝置。

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

　　中國(guó)制造

　　2015年，F(xiàn)AST將進(jìn)入反射面拼裝階段。科技日?qǐng)?bào)記者在現(xiàn)場(chǎng)看到了三角形的面板，鋁合金制，邊長(zhǎng)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(shuō)，一是為了風(fēng)負(fù)載小一點(diǎn)，二是達(dá)到50％的透光率，讓天線面下能長(zhǎng)草，避免水土流失。

　　FAST的設(shè)計(jì)和建造，體現(xiàn)了中國(guó)人領(lǐng)先于世界的工程能力。光是把33米長(zhǎng)、70噸重的鋼框部件一塊塊從沿海運(yùn)送到山區(qū)，在狹小的坑里吊起、拼合，就足夠令人贊嘆了。負(fù)責(zé)施工的江蘇滬寧鋼機(jī)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(gè)完成了這類工程。

　　FAST是人類用極端手段探索遙遠(yuǎn)的星空，因而在建設(shè)中使用了大量非標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)度。我們一般所用的鋼索，包括斜拉橋上的鋼索，其強(qiáng)度都是200兆帕、200萬(wàn)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(yīng)用30年，所以設(shè)計(jì)人員提出了安裝強(qiáng)度為500兆帕、200萬(wàn)彎曲次數(shù)的鋼索。FAST工程團(tuán)隊(duì)和柳州歐維姆機(jī)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(wú)數(shù)次的失敗。比如，當(dāng)他們?cè)囼?yàn)到350兆帕的時(shí)候，僅彎曲6萬(wàn)次就失敗了；他們?nèi)绻鲆淮?00萬(wàn)次的彎曲試驗(yàn)，就需要10天。經(jīng)過(guò)工程團(tuán)隊(duì)的不懈努力，柳州歐維姆機(jī)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(shí)他們也申請(qǐng)了12項(xiàng)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(yuǎn)鏡的饋源艙是在天線鍋中心的正上方吊起來(lái)的，由鍋外6個(gè)支撐塔通過(guò)鋼索共同拽住。饋源艙需向外傳輸?shù)男盘?hào)，都需借助支撐塔上的光纜輸出，不能使用無(wú)線通訊。因?yàn)轲佋磁撔枰粩嗟卣{(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(hào)光纜也隨著不斷拉伸。FAST工程團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種“窗簾式”的機(jī)構(gòu)，信號(hào)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(hào)線內(nèi)的光纖在拉伸中不致信號(hào)衰減。

　　國(guó)內(nèi)以前對(duì)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(wàn)次。

　　FAST工程團(tuán)隊(duì)與北京郵電大學(xué)、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(wàn)次彎曲疲勞壽命的48芯動(dòng)光纜，同時(shí)讓信號(hào)衰減達(dá)到最低，達(dá)到了FAST的要求，同時(shí)刷新了世界紀(jì)錄。

　　大科學(xué)工程就是通過(guò)這些苛刻條件的提出與實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)著國(guó)內(nèi)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)。

　　預(yù)計(jì)兩年后，F(xiàn)AST獲得的信號(hào)，將通過(guò)這條光纜傳輸?shù)酵饨纭Ｃ刻鞎?huì)有海量的數(shù)據(jù)在貴州、北京和全世界的計(jì)算機(jī)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(guó)的工程專家是實(shí)現(xiàn)這一奇跡的功臣。

（原載于《科技日?qǐng)?bào)》 2015-02-25 01版）