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成为世界上最大的射电望远镜

来源:hg0088 发表时间:2018-09-13 10:07
  所有的发达国家同时也基本上是科技领先的国家。它们之所以富裕,是因为其依靠在某些领域的先进技术,形成一个“技术领先-垄断地位-超额利润-投入研发-技术领先”的闭环。这个闭环是正常的发达模式,也是中国希望实现的目标。
  从根子上说,科技水平决定了一国生产力的上限。发达国家的支柱人员是那些领先行业的科学家、工程师、管理者、劳动者,他们赚取的利润通过市场和政府调节扩散到全国,养活了大多数普通人。这个道理看似基本,不少经济学家却似乎并没有意识到。他们把注意力几乎都集中在了体制、文化等因素上,对科技创新十分外行。最近,在中美贸易战背景下,这种错误就显得更加突出。例如在一些文章中,中国的发展似乎是美国“恩赐”的,一旦美国收回“恩赐”,中国立刻就要“崩盘”。他们眼中的中国毫无科技实力,只能依靠外国转移的产业和外国市场生活。
  “中国毫无科技实力”这个前提的荒诞程度引人发笑。科技实力保存在人身上。日本和德国在二战后,从一片废墟出发迅速恢复了发达国家的地位,正是因为他们的科技人员仍然保留着科技实力。难道美国一遏制,中国的教授和研究员就不会做科研了吗?中国的工程师就不会发展技术了吗?中国的工人就不会制造产品了吗?这个例子说明一些学者对科技的隔膜到了什么程度。
  事实上,许多客观数据都表明,中国已经成为世界主要的科技大国之一,科技实力跟英法德日处于同一层级,但与美国有显著差距,需要踏实耐心地用相当长的一段时间来追赶。看清楚这一基本图景,有助于我们明确下一步应该做些什么,如何加快进步速度。
  中国近十多年来科技实力的爆炸式增长,是由巨大的研发投入推动的。然而,用研发支出占GDP的比例(常被称为研发投入强度或研发强度)这一数据来衡量,我们就会感到中国对研发的投入还有很大提升空间。在世界银行的数据库中,研发强度自然指数排在前十位的国家,可以认为是当今世界主要的科技产出国,2015年中国的研发强度刚刚超过2%,处于中等偏下位置,只有英国、加拿大和西班牙的研发强度低于中国,这三个国家也确实越来越表现出创新乏力。
  而在另一端,日本的研发强度超过3%,韩国超过4%。近几十年来,韩国在很多领域从名不见经传变成领先者,这正是他们超高强度研发投入带来的成果。近年来,中国研发强度也在提升,根据《2017年国民经济和社会发展统计公报》,2017年中国的研究与试验发展(R&D)经费支出是17500亿元,比上年增长11.6%,与国内生产总值之比为2.12%。但跟日韩以及美德相对照,这样的提升速度还不够快。根据“十三五”规划,2020年预期要把研发强度提高到2.5%。笔者认为,基于我国科研实力的现状,这个目标在不久的将来可以提高到与韩国相同的程度,超过4%。
  在增加研发投入这个硬件的同时,科研体制的软件也需进一步改进。尤其不能急功近利,要有持之以恒、久久为功的精神。科技是推动人类进步最强大的力量,但科技的突破很难计划。科研是创造性的事业,越重大的科研成果越不可预测。
  例如粒子物理学家在申请资金建造加速器的时候,总是要写很多预期成果。但事实上,重大成果往往不是按照申请书写的那样发现的,而是意料之外的产物。丁肇中获得诺贝尔奖的成就:发现J粒子,就是这样做出来的。这对科学家来说早已是个常识。只是为了拿到资助,不得不在申请书里按部就班地写一堆预期成果。其实,如果最终得到的成果就是申请书里写的那些,科学家会很失望,因为能预测出来的成果不会是大成果。而如果出现了申请书里没预料到的结果,这里可能埋藏着重大突破的曙光。
  科研的成果不可预测,科研的用处更加不可预测。1900年普朗克提出量子力学,1905年爱因斯坦提出相对论,这是20世纪的两大科学革命。直到现在,量子力学和相对论都仍然是人类的两大基础物理学理论。现代社会的所有技术成就,都离不开量子力学和相对论。但在提出之初,这两个理论却完全看不出任何用处,纯粹是科学家好奇心的产物。
  到20世纪40年代,曼哈顿计划基于相对论造出了核武器。50年代,肖克利、巴丁和巴拉顿基于量子力学发明了晶体管,这是集成电路的基础元件。到了此时,基础理论的用处就一目了然了。如果一个国家这时才开始重视基础研究,还来得及吗?
  因此,要尊重科学研究灵感瞬间性、方式随意性、路径不确定性的特点。如果不了解这些特点,把科学研究跟工厂流水线生产产品看作同类的事情,就会在心理预期、管理办法、考核标准等方面犯错误。
  经常有朋友跟我说,知道科技创新最重要的道理,但只是担心中国现在转型是否来得及,是否能成功。对此我只想说,事在人为。最好的心态就是把科技本身作为目的,而不是把科技作为实现其他目的的手段。正如这些格言所说:但行好事,莫问前程;功成不必在我,而功力必不唐捐。
  把科技本身作为目的,这样做看起来慢,但其实是最快的。历史上最重大的科技进步,都是在这样的心态下做出来的,而它们对社会进步、经济发展的推动作用也最强。
  我们应该树立这样的价值观:科学本身就是好的。就基本的动机而言,科学只是为了满足好奇心,而不是为了实用。但是当发现了新原理之后,科学的用处却会远远超过单纯追求实用的做法。科学,是人类最伟大的“无用之用”。
  科学最大的好处,就是它完全是讲道理的,不是玄学,不是神学。一旦一个科学成果做出来,任何有足够知识基础的人都能理解它。因此,任何国家、任何文明、任何民族,只要真正尊重科学,努力学习科学,大力投入发展科学,都一定会有相应收获。对于中国来说,已经站到了这样一个历史的关口。集中资源和注意力,努力攀科技,我们的前景就无限广阔。
  这里没有任何捷径,但发展科技就是人类走过的最快、最好的路,是发展的正路。我们应该感到高兴,人类成功地发展出了科学,获得了无限向外拓展的可能性,而不是没有科学,封闭在传统社会,让无数天才的精力只能耗费在内卷化之中。(作者是中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研  被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST),经过两年的紧张调试工作,现已经实现了跟踪、漂移扫描、运动中扫描等多种观测模式。截至目前,“中国天眼”已发现59颗优质的脉冲星候选体,其中有44颗已被确认为新发现的脉冲星。
  世界最牛“观天巨眼”能看到什么?
  被誉为中国“天眼”的500米口径球面射电望远镜FAST工程主体工程2016年7月3日顺利完工。
  在贵州省平塘县克度镇的FAST工程大窝凼台址现场。随着中国科学院国家天文台台长、FAST工程经理严俊的一声令下,最后一块反射面单元缓缓起吊,在完成了二次空中转接并用缆索吊下滑到指定位置后,被顺利安装在索网上。
  什么是FAST
  FAST工程是“十一五”国家重大科技基础设施建设项目,从1994年启动贵州选址工作开始预研,2007年7月正式立项,2011年3月正式开工建设。
  FAST是世界第一大单口径射电望远镜,它采用全新设计思路,以整座山窝作为台址,突破了射电望远镜的百米极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。
  与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,FAST灵敏度提高约2.5倍;与排在阿波罗登月之前、被评为人类20世纪10大工程之首的美国Arecibo 300米望远镜相比,FAST综合性能提高约10倍。作为世界最大的单口径望远镜,FAST将在未来10~20年保持世界一流设备的地位。
  被誉为中国“天眼”的FAS将取代美国波多黎各的阿雷西博天文台,成为世界上最大的射电望远镜。它可以捕捉远在百亿光年外的射电信号,帮助人类洞察隐藏在宇宙深处的秘密。
  FAST的研制和建设,体现了我国自主创新能力,并推动我国在天线制造技术、微波电子技术、并联机器人、大跨度结构、公里范围高精度动态测量等众多高科技领域的发展。建成后的FAST将在日地环境研究、搜寻地外文明、国防建设和国家安全等国家重大需求方面发挥不可替代的巨大作用。
  “天眼”的“眼眶”是一圈钢铁结成的圈梁,登上圈梁往下看,巨大的天坑里,星罗棋布地排列着一个个“网结”,这些“网结”凌空架设、相互勾连,结成硕大的索网。当4450块反射面单元逐一在索网上拼装完毕,“天眼”的“眼底”就会出现一个天线锅,其主反射面达25万平方米。“天眼”正是通过这个天线锅倾听来自宇宙的声音。通过巨大的天线锅,将微弱的宇宙电波收集起来,再将收集到的信号汇聚到具有极高灵敏性的接收系统上,还原、转化、分析。
  探听地球之外的音讯,“天眼”的能力和其大小息息相关。简单来说,眼睛越大,看得越远。尤其特殊的是,这只“天眼”并非“死眼”,根据观测的方向,它会拉扯索网来变形天线锅。如同人类转动自己的眼珠,调整视线的指向,遥远的太空对它来说将不存在方向上的死角。
  正因具备这些非同一般的特质,业内普遍预测,这只“天眼”将在未来10至20年保持世界一流设备的重要地位。
  “观天巨眼”看什么?
  半个多世纪过去了,所有射电望远镜收集到的能量还不够翻动一页纸。通过这只“天眼”,人类究竟能发现什么?这是萦绕在包括天文学家在内的很多人心中渴望的谜底。
  中国科学院国家天文台FAST工程首席科学家、总工程师南仁东这样描述存在于宇宙深处的各种讯息:“宇宙空间混杂各种辐射,遥远的信号像雷声中的蝉鸣,没有超级灵敏的耳朵,根本就分辨不出来。”
  而“天眼”恰恰具备这样的非凡本领,哪怕是远在百亿光年外的射电信号,它也有可能捕捉到。据介绍,“天眼”建成后,将有能力巡视宇宙中的中性氢、探测星际分子、观测脉冲星、搜寻星际通讯信号。
  所谓中性氢,就是宇宙中未聚拢成恒星发光发热的氢原子,是一个质子加一个电子,中性氢云团的运动正反映了早期宇宙的蛛丝马迹。“天眼”观测中性氢信号,就可能获知星系之间互动的细节,甚至发现第一代天体以及宇宙漫长发育历程的线索。如果足够幸运,地球上的人类将通过“天眼”探知宇宙起源秘密,同样也能据此分析宇宙的未来。
  观测脉冲星则是另一个重要领域。目前主流观点认为,脉冲星是一种高速旋转的中子星,发射出恒定的能量流,汇聚成非常窄的光束,当星体旋转时,光束就会如灯塔光束一般扫过太空。但这一论断并非“铁断”。目前人类可以侦测到银河系内的脉冲星,如果可以发现银河系外的样本以及一些前所未见的脉冲星现象,就有可能据此产生突破性的理论。
  能否发现外星人传来的信号?是更多普通人关心的话题。在科幻小说里频繁出现的桥段,对“天眼”来说并不是一件脑洞大开、匪夷所思的事情。此外,“天眼”还能观测暗物质和暗能量、精确测定黑洞质量……这些谜团能否揭开尚属未知,但可以肯定的是,“天眼”睁开之后,人类在天文学上将有更多突破,宇宙图景会更加清晰,地球人对地外空间的认识会更进一步。
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