任何科學研究，都處于人類認知的前沿，它本身就帶有幻想和夢想的雙重屬性。我們需要通過教育、通過鼓勵好奇心和那些偉大而富有野心的夢想、甚至是幻想，不斷推進科研發(fā)展的進程。
——摘自第六屆IEIC大會 李菂分享
中國科學院國家天文臺研究員、FAST首席科學家
李菂 | 第六屆IEIC大會學校發(fā)展論壇專題報告
“人類失去想象，世界將會怎樣?”
一直以來，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、一次次工業(yè)革命，到人工智能飛速發(fā)展，都離不開對未來的盡情想象。而創(chuàng)新，正是建立在這種充分的想象之上。
在第六屆IEIC國際教育創(chuàng)新大會上，中國科學院國家天文臺研究員、FAST首席科學家李菂教授分享了主題為《幻想的價值》的演講，結合“中國天眼”的運作原理及開發(fā)過程，強調(diào)了孩子好奇心、幻想的重要價值，對未來的科創(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大會分享，為方便閱讀，以第一人稱視角陳述。
任何科學研究
就帶有幻想和夢想的雙重屬性
大家現(xiàn)在看到的就是我目前的主要工作——中國天眼，圖上有一個光的螺旋線，實際上是一輛卡車從我們這個世界上最 大的觀天設備底下開過去的痕跡。這個直徑500米的設備，有一半的面積是很小的孔洞，光可以透出來、雨水也能漏下去。
圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會PPT分享
這樣一個直徑500米的“大鍋”，可以裝下30個足球場，是我們國家天文觀測的大科學裝置。中國天眼是它的昵稱，它的嚴格稱謂是“500米口徑球面射電望遠鏡”。它不僅是我們一系列的原創(chuàng)技術的產(chǎn)物，也是好幾代天文人的夢想，甚至于幻想。
今年10月21號，我去成都參加了世界科幻大會，大會頒布了今年的“雨果獎”，當時會場的布置就充滿了科幻的元素，主要靈感來自于劉慈欣先生的作品，有《流浪地球》中的機器人，以及《三體》中的“水滴”設計，背景中閃閃發(fā)光的部分其實是一個電梯。
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實際上，任何科學研究，特別是我們這種幾乎沒有實用價值的天文研究，它處于人類認知的前沿，所以它本身就帶有幻想和夢想的雙重屬性。
而中國天眼這項設備經(jīng)過20多年的建設，從2020年開始正式運行，到現(xiàn)在不過三年多的時間，但它已經(jīng)承擔了超過400個觀測項目，有來自超過30個國家的首席科學家參與其中，也誕生了一系列重要成果，包括9篇《自然》、2篇《科學》、還有已經(jīng)入選“中國科學十大進展”的成果。
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可以說，天眼早期的產(chǎn)出效率，遠遠超出了我們這些建設者的最美好的想象或者是幻想。
不僅如此，天眼除了承擔繁重的科研工作，也逐漸成為中小學教育中的重要工具。去年，國家天文臺的武向平院士和中國科協(xié)聯(lián)合組織了面向中小學生的中國天眼觀測項目征集，收到了將近8.000份申請，每一份申請背后，都充滿了孩子們無盡的好奇心和各種各樣有趣的幻想元素。
“中國天眼”的開發(fā)過程
我們再來看看這項設備。它看起來和我們的天眼很像，也是坐落在石灰?guī)r地形中的一口“大鍋”，它是美國在1963年建成的阿雷西博望遠鏡，擁有一系列載入教科書式的發(fā)現(xiàn)——在1993年，阿雷西博望遠鏡的成果獲得了諾貝爾物理學獎。
然而，阿雷西博望遠鏡的誕生，極具革命性和意外性，甚至和天文研究沒有任何直接的關系。
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剛開始，康奈爾大學的工程師William E.Gordon博士提出要建設阿雷西博雷達探測研究電離層，在他的計算中，需要一根300米的天線來完成這項研究。
大家可以想象一下，在上世紀五十年代末，世界上幾乎所有的設備都是幾十米的數(shù)量級，William E.Gordon博士突然提出了300米這樣一個跨越性的概念，就帶了一些瘋狂的幻想元素。
而且，通過后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，他的計算是有問題的。僅僅幾個月后，業(yè)內(nèi)同行就指出，他的目標只需要30米的天線就可以實現(xiàn)。
盡管如此，William E.Gordon博士的這項計劃依舊得到了美國新成立的先進研究項目委員會(ARPA)的資助和支持，這也是基于當時的時代背景，美國和蘇聯(lián)正在開展一場激烈的太空競賽，雙方在這方面的投入都相當大。
而阿雷西博望遠鏡正是ARPA資助的第一個項目。實際上，ARPA現(xiàn)在依舊存在，它轉(zhuǎn)向了美國國防部，前面增加了一個單詞：Defense，變成了DARPA，性質(zhì)上有點類似一個帶有國家戰(zhàn)略意志的投資公司。
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它先后進行了因特網(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，還包括電動汽車、頁巖油等前瞻性技術的發(fā)掘，可以說是相當成功。
回過頭來再看阿雷西博望遠鏡，也一直在更迭升級，并且誕生了新成果。在1973年，美國麻省大學的泰勒教授和他的學生豪斯通過觀測雙中子星相互纏繞的現(xiàn)象，用愛因斯坦的理論精確的計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。這項發(fā)現(xiàn)獲得了1993年諾貝爾物理學獎。
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到了90年代中期，阿雷西博望遠鏡已經(jīng)是一個非常成功的、領 先世界的、載入史冊的大科學工程。1996年，來自國家天文臺的老一輩科學家，特別是南仁東先生和邱育海先生，第一次到美國阿雷西博望遠鏡現(xiàn)場進行考察。此后，他們提出要在中國建設20個阿雷西博這樣的巨型望遠鏡，并組成一個陣列，更好地進行天文研究。
那么到了今天，其中有一個成功延續(xù)了下來，它就是中國天眼。
九十年代中后期，我在康奈爾大學攻讀博士，當時我的主要工作，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的項目科學家，2009年有幸第一次到中國天眼的現(xiàn)場，2012年回國全職參與FAST建設。
一直到2012年8月，F(xiàn)AST項目還只是一個“坑”，遠遠沒有取得今天這樣良好的發(fā)展狀況和成就;到了2015年，我擔任副總工程師，和同事們一起，幾乎每天全程在現(xiàn)場工作;到了2016年9月25日，F(xiàn)AST項目正式竣工，獲得諾貝爾物理學獎的泰勒博士也來到現(xiàn)場參加竣工典禮;隨后就是一系列的驗收環(huán)節(jié)，直到2020年，F(xiàn)AST才通過國家驗收，成為一個正式的大科學裝置。
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中國天眼是如何推動
我國天文學領域技術進步的?
FAST項目的建成，推動了一系列項目開展和技術進步。我們希望用原創(chuàng)的思想和先進的電子學設備，高效率地同時進行多科學目標的觀測。這是我目前領導的一個世界首創(chuàng)的巡天計劃：CRAFTS(Commencer Radio Astronomy Fast Serving)，翻譯過來就是手藝，現(xiàn)在是FAST五個優(yōu)先重大項目之一。
簡單來說就是望遠鏡不動，利用地球的轉(zhuǎn)動，來讓它的指向飄過天空。
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目前，該項目已經(jīng)催生了FAST的第一個科學發(fā)現(xiàn)——一個距離我們大約1.6萬光年、周期1.83秒、高速旋轉(zhuǎn)的一顆脈沖星。
2017年的10月10號，我們正式公布了這項發(fā)現(xiàn)，它也被稱作是代表中國射電波段的大科學裝置系統(tǒng)產(chǎn)生原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)的新時代開啟的重要標志。
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發(fā)展到現(xiàn)在，F(xiàn)AST的科學成果已經(jīng)非常豐富了。這是我們通過2019年的一次系統(tǒng)觀測，在2021年發(fā)表的來自叫做“快速射電暴：FRB121102”的一個非常大的爆發(fā)樣本集。
“121102”這一串號碼代表了這個信號第一次出現(xiàn)在人類的數(shù)據(jù)里的時間，就是2012年11月2號。不過當時我們并不知道這個信號的存在，也沒有把它找出來。
而第一次捕獲這個信號的，就是中國天眼的前身——美國的阿雷西博望遠鏡。中國天眼FAST由于靈敏度更深，我們在一個半月的時間內(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，來展現(xiàn)這個重要成果。圖中大家看到的從遙遠的星系中一個神秘爆發(fā)源過來的、一股一股像是這種水流的波動，就是來自天眼真實的脈沖數(shù)據(jù)。
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所謂的“快速射電暴”，就是這里的每一個起伏。每一個脈沖的持續(xù)時間只有千分之幾秒，但它可能蘊含了太陽一整年甚至幾年的總輻射能量。直觀點來說，每一個千分之幾秒的波峰的起伏，都代表著足夠現(xiàn)在的人類社會用1萬億年的能量。
這種現(xiàn)象目前對于很多人來說都難以想象，甚至不存在合理的科學解釋，然而它就是存在。
目前，中國天眼探測到的1.652個脈沖，已經(jīng)超過了截止到2021年底，整個領域14年之內(nèi)所有出版物發(fā)表的總和。
這個發(fā)現(xiàn)成功入選了2021年度的“中國科學十大進展”。所以中國天眼盡管是基于阿雷西伯望遠鏡的概念，但它的實際接收效率，要比阿雷西伯望遠鏡高出2-3倍;它的巡天效率，基于中國一系列的原創(chuàng)技術，也要高出一個數(shù)量級以上。
我在讀博期間曾利用阿雷西博望遠鏡做了一個宇宙原子氫氣的觀測，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”，英文簡寫是 “HINSA”。之后經(jīng)過將近20年的艱苦努力，最終由中國天眼實現(xiàn)了用HINSA方法對于星際磁場的精確測量。
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這項工作成果是2022年初第一期《自然》的封面，它的信號特征就是右下這個所謂HINSA的塞曼效應，它代表的是大概四個微高斯的微弱的星際磁場。
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四個微高斯是什么概念呢?它大概相當于地球磁場的1/100.000.而這跟很多經(jīng)典的模型推測結果是不一樣的。因此這個結果也被業(yè)內(nèi)同行稱作“一個有創(chuàng)新的方法產(chǎn)生的極端重要的觀測”。它對這個領域還存在其它潛在性的革命性的影響。
中國天眼處于世界領 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，即使一根天線做得再長，上限就是幾百米，不可能做到上千米。
有一個在70年代就獲得諾貝爾物理學獎的概念叫“綜合孔徑”，就是我們可以把天線的接收面積在物理上拉開，然后組合它的信號。我們把它叫做綜合孔徑的望遠鏡，用它同時做探測的就是合成孔徑雷達。
它們都基于光的波動性質(zhì)，物理和工程的基礎是一樣的。
中國科研的發(fā)展
離不開學生們的幻想與超越
這一年多以來，我們和山東濟南章丘的齊魯師范學院進行了緊密合作，現(xiàn)在已經(jīng)建設了由20面天線組成的 “齊魯探天”分米波陣列，這是中國高校第一個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候，由一個齊魯師范的學生拍攝的照片：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，學校成立了齊魯師范學院的天文學系，我們基于在山東泰安大汶口遺址挖掘出來的八角星紋彩陶豆的圖案，設計了天文學系的系標。
系標采用內(nèi)方外圓的設計理念，呼應著天文學系的學科內(nèi)容;外延切斷的圓圈，則是星軌的象征，也是希望同學們能夠延續(xù)對天空的好奇心、夢想以及幻想。
圖 | 李菂教授 第六屆IEIC大會PPT分享
今年年初(2023年2月28號)，正好是《流浪地球2》上映播出，人民日報文藝版組織了相關編導、制作人以及一部分科學家，對中國的科學和科幻做了一些評論。下面是我交上去的稿件，其實也代表了我今天的演講主題——
科幻文藝和基礎科學的興盛，都離不開一個風華正茂的國家，一個朝氣蓬勃的時代。中國天眼的一系列發(fā)現(xiàn)，正是得益于中國持續(xù)投入的大科學裝置建設，得益于以南仁東先生為代表的幾代人的努力。
中國人建設了太空站，觀眾看到《流浪地球2》中航天員出艙的場景就不會感到違和。所以我們的基礎研究和科學幻想，它的根基，都是一個國家或者一個體系的工業(yè)基礎。
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PPT分享
我們所從事的天文學領域，在中國天眼以前，實打?qū)嵉芈浜竺绹?0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研究基礎和規(guī)模還是比較落后的。
但是，追趕和學習的基本態(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。我也期待未來的科學和科幻，有更多的原創(chuàng)，更多的坦然和一往無前。
中國天眼是中國過去幾十年歷史性的科學投入以及整體工業(yè)體系發(fā)展進程的一個反映、一個代表。
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我們這一代人既是這個進程的受益者，也是這個過程的參與者和建設者。在未來，希望通過教育、通過鼓勵好奇心和那些偉大而富有野心的夢想、甚至是幻想，可以把科學發(fā)展進程一直延續(xù)到更深的21世紀。
