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記“中國天眼”之父南仁東:20多年只做這一件事

2017-09-28 07:14:00來源:光明日報

  

  資料圖:500米口徑球面射電天文望遠鏡(FAST)。中新社發(fā) 鐘欣 攝

  人生為一大事來

  ——記“中國天眼”之父南仁東

  在貴州平塘縣大窩凼的喀斯特洼坑中,銀色的“中國天眼”仍在探視宇宙,但在“中國天眼”之父南仁東的房間里,時間卻停住了腳步。9月15日,南仁東因病在美國去世,這位率先提出在中國建設(shè)新一代射電“大望遠鏡”,并在十多年間,走遍貴州許多窩凼,選出理想臺址,又用近十年時間跑遍工程現(xiàn)場的每個角落,罹患癌癥仍堅守崗位的中國500米口徑球面射電望遠鏡(簡稱FAST)工程的發(fā)起者及奠基人,倒在了“中國天眼”建成而尚未正式啟用的時刻。時年72歲的南仁東,生命在欣慰與遺憾中戛然而止,留在中國大地上的是世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。

  “20多年只做這一件事”

  “咱們也建一個吧。”1993年,獲悉科學家們在日本東京的國際無線電科學聯(lián)盟大會上提出,要在全球電波環(huán)境繼續(xù)惡化之前,接收更多來自外太空的信息,建造新一代射電“大望遠鏡”時,南仁東做出了這個決定,這讓“南仁東”這三個字,從此與FAST這個射電望遠鏡密不可分。

  隨意翻開一本世界科技史著作,射電天文學都是20世紀科技進展中頗為重要的章節(jié)之一。20世紀60年代四大天文發(fā)現(xiàn)——宇宙微波背景輻射、類星體、脈沖星和星際分子,它們分別為大爆炸宇宙論提供支持、讓人們重新思考紅移的本質(zhì),更進一步了解宇宙的物理本質(zhì)和更深入了解宇宙間生命發(fā)生的適宜條件——這四大發(fā)現(xiàn)都是利用射電望遠鏡才得以進行觀測的。

  在這些窮宇宙之邊際的探索中,射電望遠鏡功不可沒。自那以后,世界各國開始建造更大口徑、更靈敏的射電望遠鏡來破解更多來自宇宙的秘密。

  作為一名天文學家,南仁東不可能不知曉這段天文史。正因如此,24年前,時任中國科學院北京天文臺副臺長的南仁東,便敏銳地抓住了契機,提出:“在中國境內(nèi)建造直徑500米、世界最大的單口徑射電望遠鏡!

  當時,我國最大的射電望遠鏡口徑只有30米,從30米到500米,這是個太大膽的設(shè)想,看好的人寥寥無幾——建設(shè)這樣大口徑的射電望遠鏡已不僅是一個嚴密的科學工程,還是一個難度巨大的建設(shè)工程,涉及天文學、力學、機械工程、結(jié)構(gòu)工程、電子學、測量與控制工程,甚至巖土工程等各個領(lǐng)域,且工程從紙面設(shè)計到實際建造和運行,有著十萬八千里的距離。

  “是否有合適的地方?施工難度怎么克服?”這是當時人們最為普遍的質(zhì)疑。但南仁東認準了這件事。從1994年開始,年近50歲的南仁東開始主持國際大射電望遠鏡計劃的中國推進工作。他大膽提出,利用我國貴州省的喀斯特洼地作為望遠鏡臺址,建設(shè)巨型球面望遠鏡作為國際平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)的單元,并立即啟動貴州選址工作。

  “為了選址,南老師當時幾乎踏遍了那里的所有洼地。”南仁東的學生、FAST工程接收機與終端系統(tǒng)高級工程師甘恒謙回憶,當時,南仁東帶著300多幅衛(wèi)星遙感圖,跋涉在中國西南的大山里,“有的荒山野嶺連條小路也沒有,當?shù)剞r(nóng)民走著都費勁”。

  訪山歸來,南仁東心里有了底,正式提出利用喀斯特洼地建設(shè)射電望遠鏡的設(shè)想。經(jīng)過多年的論證,2007年7月,F(xiàn)AST作為“十一五”重大科學裝置正式被國家批準立項;2008年,國家發(fā)改委批復(fù)了FAST的可行性研究報告;2009年,中科院和貴州省人民政府聯(lián)合批復(fù)了FAST項目初步設(shè)計及概算。

  2016年9月25日,500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)竣工,最終建成的FAST擁有500米的口徑、相當于30個足球場的接收面積。如果在國際上做一個橫向比較,F(xiàn)AST與號稱“地面最大的機器”的德國波恩100米望遠鏡相比,靈敏度提高約10倍;比排在“阿波羅”登月之前、被評為人類20世紀十大工程之首的美國“阿雷西博”305米望遠鏡,綜合性能提高約10倍。建造FAST的“窩凼”——幾百米的山洼被四面的山體環(huán)繞,正好擋住外面的電磁波。這個世界第一大單口徑射電望遠鏡,可以觀測脈沖星、中性氫、黑洞等等這些宇宙形成時期的信息,以及捕捉來自外星生命的信號。

  從1994年開始主持FAST項目的選址、立項、可行性研究及初步設(shè)計,主編科學目標,指導(dǎo)各項關(guān)鍵技術(shù)的研究及其模型試驗,歷經(jīng)22年,南仁東帶領(lǐng)團隊最終建成了“中國天眼”!澳侠蠋熯@20多年只做了這一件事。”他的同事和學生們說。在這8000多個殫精竭慮的日子里,南仁東帶領(lǐng)老中青三代科技工作者克服了不可想象的困難,實現(xiàn)了由跟蹤模仿到集成創(chuàng)新的跨越!澳侠蠋熗苿恿耸澜绐氁粺o二的項目!盕AST項目副總工程師李菂說:“他的執(zhí)著和直率最讓人佩服!

  

  南仁東登上建設(shè)中的“中國天眼”。中國科學院國家天文臺提供

  “造不好,怎么對得起人家?”

  留著八字胡、目光凌厲,“一看就是‘頭兒’”,這是姜鵬對南仁東的第一印象。在成為南仁東的助理,熟知他的過往經(jīng)歷后,F(xiàn)AST工程調(diào)試組組長、研究員姜鵬覺得“他的人生充滿的是調(diào)皮、義氣、玩世不恭,甚至有些搗蛋”。

  身材瘦小的南仁東的確是個“傳奇”。他于1945年出生在遼源市龍山區(qū),1963年,南仁東以高考平均98.6分(百分制)的優(yōu)異成績成為“吉林省理科狀元”,并考入清華大學無線電系,是當?shù)?0年間唯一考入清華大學的高才生。根據(jù)他的老友,F(xiàn)AST工程顧問、高級工程師斯可克回憶,畢業(yè)后,他倆在吉林通化無線電廠開模具,南仁東從沖壓、鈑金、電鍍等“粗活”到土建水利樣樣都學,更帶領(lǐng)技術(shù)員們生產(chǎn)出中國第一代電子計算器。但在選擇碩士專業(yè)的時候,南仁東卻不按常理出牌,他考取的是中國科學院的天文學研究生,跨入了與此前專業(yè)差異很大的天文領(lǐng)域,并“一發(fā)不可收拾”。

  20世紀,無線電波打開了現(xiàn)代天文觀測在不可見光領(lǐng)域的“窗口”,能夠接收來自宇宙的電磁信號的優(yōu)良觀測設(shè)備就成為在這一領(lǐng)域一決高下的“利器”。南仁東深知要讓中國的天文觀測重回世界高地,建造大型觀測設(shè)備是當務(wù)之急。

  “感官安寧,萬籟無聲。美麗的宇宙太空以它的神秘和絢麗,召喚我們踏過平庸,進入它無垠的廣袤!蹦先蕱|以這句話表達了他對星空的追求!皠e人都有自己的大設(shè)備,我們沒有,我挺想試一試!彼f,他心中最大的夢想,就是把大窩凼變成一個現(xiàn)代機械美感與自然環(huán)境完美契合的天文觀測奇跡。

  為了推動立項,他成了“推銷員”,設(shè)法參加國際會議,逢人就推銷項目。“我開始拍全世界的馬屁,讓全世界來支持我們。”南仁東曾這樣自嘲。為了尋求技術(shù)上的合作,南仁東北上哈爾濱工業(yè)大學,南下同濟大學,繼而奔赴西安電子科技大學。

  終于爭取到立項,南仁東的反應(yīng)卻不是欣喜若狂。從2011年開工令下達起,在5年半的工程建設(shè)過程中,先后150多家國內(nèi)企業(yè)、20余家科研單位、數(shù)千人的施工隊伍相繼投入FAST建設(shè),這么大的射電望遠鏡建設(shè),關(guān)鍵技術(shù)無先例可循、關(guān)鍵材料急需攻關(guān)、現(xiàn)場施工環(huán)境非常復(fù)雜,工程的艱難程度遠超出想象?上攵,南仁東肩上的擔子,壓得很重。

  在2010年,F(xiàn)AST曾遇到建造以來的一場近乎災(zāi)難性的風險。據(jù)姜鵬回憶,2010年,他們對買自知名企業(yè)的十余根鋼索結(jié)構(gòu)進行疲勞實驗,結(jié)果全部以失敗告終,沒有一例能滿足FAST的使用要求。當時,臺址開挖工程已經(jīng)開始,設(shè)備基礎(chǔ)工程迫在眉睫,可由于購買的材料達不到工程要求,反射面的結(jié)構(gòu)形式遲遲定不下來。

  為了解決這個問題,南仁東提出用彈簧作為彈性變形的載體,來解決鋼索疲勞問題。在姜鵬看來,這有些異想天開。“在我看來真有點天馬行空,不可思議。”姜鵬說,“但他就是希望大家能發(fā)散思維!

  然而,用彈簧仍然是行不通的。在姜鵬最后一次向南仁東論述了彈簧方案不可行之后,他清晰地記得,空曠的會議室里,南仁東背著手站在黑板前,盯著那草圖,“像一個無助的孩子!苯i說:“我當時很難理解,這樣的大科學家也會手足無措。”但他很快就明白南仁東的壓力之大!八麑嬍畴y安,天天與我們技術(shù)人員溝通,想方設(shè)法在工藝、材料等方面尋找解決途徑,他背負的責任太重了”。

  盡管失敗帶來了打擊,但放棄卻絕不是科學家的選擇!霸觳缓,怎么對得起人家?”“國家投了那么多錢,國際上又有人說你在吹牛皮,我就得負點責任!边@樣的話掛在南仁東嘴邊。南仁東決定轉(zhuǎn)向鋼索的研制,整個研制工作接近兩年,經(jīng)歷了近百次失敗。幾乎每一次,南仁東都親臨現(xiàn)場,溝通改進措施。最終,研制出滿足FAST要求的鋼索結(jié)構(gòu),讓FAST渡過了難關(guān)。

  在長達14年的預(yù)研究和建設(shè)過程中,南仁東主持FAST科學目標,指導(dǎo)各項關(guān)鍵技術(shù)的研究及模型試驗,實現(xiàn)了三項自主創(chuàng)新:利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺址;洼坑內(nèi)鋪設(shè)數(shù)千塊單元組成500米口徑球冠狀主動反射面;采用輕型索拖動機構(gòu)和并聯(lián)機器人,實現(xiàn)望遠鏡接收機的高精度定位。突破了一系列技術(shù)難題,發(fā)明了500MPa耐疲勞拉索,突破了高效握拔力錨固技術(shù)、大跨度索網(wǎng)安裝和精度控制等難題;提出通過“水環(huán)”和運動配重擴大焦艙的運動空間同時增加系統(tǒng)阻尼的設(shè)計。

  

  2011年9月18日,大窩凼現(xiàn)場,南仁東與施工人員交流。中國科學院國家天文臺提供

  “懂無線電、焊接、機械的天文學家”

  有人說,F(xiàn)AST成就了南仁東。但實際上,早在FAST之前,南仁東就已經(jīng)是著名的天文學家。1984年,南仁東使用國際甚長基線網(wǎng)對活動星系核進行系統(tǒng)觀測研究,在這一領(lǐng)域的早期發(fā)展階段,主持完成歐洲及全球網(wǎng)10余次觀測,首次在國際上應(yīng)用VLBI“快照”模式,取得豐富的天體物理成果;VLBI混合成圖達到當時國際最高動態(tài)范圍水平,使20世紀80年代國內(nèi)進行VLBI數(shù)據(jù)分析成為可能。

  他在日本作客座教授期間,幫助日本空間甚長基線干涉天文臺項目解決衛(wèi)星-地面VLBI的成圖難題。多年的突出成果得到國際同行贊譽和認可,他于2006年被國際天文學聯(lián)合會射電天文分部選為主席。

  后來,南仁東放棄國外的優(yōu)渥條件,回國挑起天文事業(yè)重擔。

  “南老師曾說過,作為一個科研工作者,一生之中能參與大項目的機會難能可貴。這既是機遇,也是挑戰(zhàn)。”從2001年開始參與FAST項目的國家天文臺研究員張海燕說。如今再憶前期艱難,以及南老師不斷鼓勵大伙團結(jié)一心的情景,她泣不成聲。

  從FAST項目開始至今,南仁東一直任首席科學家,通過國內(nèi)外同行間的合作,主持編寫了FAST立項建議書,確定了中性氫、脈沖星、分子譜線、VLBI和地外智慧文明搜尋等5大科學內(nèi)容。FAST具有高靈敏度和大天區(qū)覆蓋,有利于發(fā)現(xiàn)更多罕見品種的脈沖星。中性氫與脈沖星巡視被國際天文界評審為FAST兩個最高優(yōu)先級科學目標。

  2012年,F(xiàn)AST 973項目正式啟動,作為資深咨詢專家,南仁東指導(dǎo)FAST 973項目“射電波段的前沿天體物理課題及FAST早期科學研究”的立項及組織實施;確立了FAST實現(xiàn)世界首個漂移掃描多科學目標同時巡天的原創(chuàng)科學策略;提出調(diào)試階段全波段監(jiān)測蟹狀星云脈沖星的優(yōu)先觀測計劃;建議了用于望遠鏡調(diào)整期及早期試觀測的單波束和多波束接收機,前者已投入試觀測。

  在國家天文臺FAST工程副經(jīng)理、辦公室主任張蜀新眼里,南仁東不只是個天文學家,他還精通巖土、焊接、機械、工程管理。在審核危巖和崩塌體治理、支護方案時,不懂巖土工程的南仁東,用了一個月的時間學習相關(guān)知識,對方案中的每一張圖紙都仔細審核、反復(fù)計算,指出方案中的錯誤,提出了大量的寶貴意見。“他是個天文學家,但為了FAST,他把自己練成了通才,拿起電焊能焊得有模有樣,給機械專家提點問題也總在點子上!睆埵裥抡f。

  據(jù)FAST工程饋源支撐系統(tǒng)副總工潘高峰回憶,在臺址勘察期間,為了更清晰地了解現(xiàn)場,掌握第一手資料,制定正確的危巖治理方案,65歲的南仁東和年輕人一起,在沒有路的大山里攀爬。在去陡峭山頂時,大家勸他在山下等著,看完結(jié)果向他匯報,他卻堅持:“我要和你們一起上去,看看實際的情況!

  多年來,F(xiàn)AST項目成為享譽世界的超級大工程,其創(chuàng)新技術(shù)得到了各方認可,獲得了各種獎勵,如創(chuàng)新的索網(wǎng)技術(shù)成果獲2015年鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會科學技術(shù)獎特等獎、2016年廣西技術(shù)發(fā)明一等獎和2016年北京市科學技術(shù)獎一等獎。但屬于南仁東個人的榮譽卻只有“CCTV2016年度科技創(chuàng)新人物”“2016中國科學年度新聞人物”“2017年全國創(chuàng)新爭先獎?wù)隆绷攘葞醉棥?/p>

  他對名利淡漠,卻對現(xiàn)場的工人和貧困地區(qū)的孩子十分上心。他曾給來自云南的工人買運動服,還常帶些瓜果與工人們分享。每次晚飯后,他都會到工人的工棚坐坐,“端起工人吃飯的碗就喝水”。他的記憶力極好,幾乎知道每個工人的名字、工種、收入情況,“還知道一些他們家里的瑣事”。張蜀新說,南仁東看到了當?shù)厝松畹钠D苦,了解當?shù)匦『⒆由蠈W的不易,于是他出資捐助十余位兒童上學。時至今日,仍有受資助的學生給他寫信。

  在南仁東逝世時,留下遺愿,喪事從簡,不舉行追悼儀式。他驟然離世,留下無數(shù)寄望,目前,F(xiàn)AST項目還在緊張調(diào)試,“要讓FAST早出突破性成果,以慰藉南先生在天之靈。”他的同事和學生們說。

  (本報記者 詹媛)

編輯: 孫丁玲
關(guān)鍵詞: FAST;錨固技術(shù);主動反射面;星際分子;射電天文學;宇宙微波背景輻射;并聯(lián)機器人;活動星系核;大射電望遠鏡;大爆炸宇宙論

記“中國天眼”之父南仁東:20多年只做這一件事

訪山歸來,南仁東心里有了底,正式提出利用喀斯特洼地建設(shè)射電望遠鏡的設(shè)想。在國家天文臺FAST工程副經(jīng)理、辦公室主任張蜀新眼里,南仁東不只是個天文學家,他還精通巖土、焊接、機械、工程管理。

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