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馬平:用21世紀(jì)的方式,去看21世紀(jì)的奇跡
關(guān)鍵字: 射電望遠(yuǎn)鏡天文望遠(yuǎn)鏡貴州
我們可以看一下被“天眼”超越的前任射電望遠(yuǎn)鏡冠軍——波多黎各阿雷西博望遠(yuǎn)鏡。阿雷西博望遠(yuǎn)鏡也同樣建在一塊凹地上,底部修成了標(biāo)準(zhǔn)球形。眾所周知,球形反射鏡會(huì)把平行信號(hào)反射到一條線上,而拋物面會(huì)把平行信號(hào)反射到一個(gè)點(diǎn)上。從遙遠(yuǎn)天體射來的信號(hào),可以視為平行信號(hào),理論上說反射到一個(gè)點(diǎn)要比反射到一條線有利得多,更方便收集信號(hào),阿雷西博望遠(yuǎn)鏡卻恰恰選擇了球面反射方式,這是因?yàn)槿祟悷o法控制地球的運(yùn)動(dòng)。
(拋物面反射把主軸方向的平行信號(hào)匯聚到焦點(diǎn),球面反射把任意方向的平行光匯聚于一條線)
射電望遠(yuǎn)鏡要隨著地球的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),所以,如果射電望遠(yuǎn)鏡的位置不調(diào)整,指向也會(huì)在天空中畫出一條曲線,沒法精確瞄準(zhǔn)一個(gè)物體,或者說任何目標(biāo)都會(huì)在望遠(yuǎn)鏡的視野中一掠而過,沒法連續(xù)觀測(cè)。所以早期的射電望遠(yuǎn)鏡都是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的拋物面。
(60-70年代建設(shè)的密云射電望遠(yuǎn)鏡)
但可以轉(zhuǎn)動(dòng),意味著就不能做的太大。否則沒有那么大的機(jī)器可以驅(qū)動(dòng)反射面,反射面自己也會(huì)因?yàn)橹亓Χ冃?。但天文望遠(yuǎn)鏡的分辨率和口徑成反比,收集信號(hào)的強(qiáng)度和口徑的平方成正比,所以為了追求分辨率,下一個(gè)思路就是把望遠(yuǎn)鏡固定在地上以擴(kuò)大口徑,類似于天眼和波多黎各阿雷西博望遠(yuǎn)鏡。
(阿雷西博望遠(yuǎn)鏡)
固定在地上,球面就優(yōu)于拋物面了——球面沒有指向性,任何方向來的平行信號(hào),都可以反射到某一條線上。隨著地球的轉(zhuǎn)動(dòng),目標(biāo)在天空中相對(duì)運(yùn)動(dòng),就把線狀的信號(hào)接收器轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的方向,也可以集中信號(hào)。這就是阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的做法。但信號(hào)不聚焦于一點(diǎn),終究是信號(hào)太弱。美國在望遠(yuǎn)鏡中心掛了幾百噸的一個(gè)超級(jí)接收器(饋源艙),才勉強(qiáng)發(fā)揮出望遠(yuǎn)鏡數(shù)百米半徑的優(yōu)點(diǎn)。
所以,射電天文學(xué)家的夢(mèng)想就是集中轉(zhuǎn)動(dòng)天線、固定天線,拋物面、球面的優(yōu)點(diǎn),打造一個(gè)足夠大,運(yùn)動(dòng)靈活,還能聚焦于一點(diǎn)的望遠(yuǎn)鏡,研究遙遠(yuǎn)星體的無線電波。(當(dāng)然反過來也可以靈活地發(fā)射無線電)
這就是“天眼”用4000塊多面板和2000多個(gè)促動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)——隨著星體的移動(dòng),隨時(shí)在“大鍋”的球面內(nèi)部組合出一個(gè)拋物面。拋物面跟著星體運(yùn)動(dòng),只要星體還在“大鍋”上空,就能連續(xù)觀測(cè),而信號(hào)又時(shí)刻集中于一點(diǎn),用一個(gè)10噸的饋源艙就能完全接收。此外,由于傳感器能隨時(shí)判定每一塊面板的位置,風(fēng)力乃至地面變形對(duì)反射面的影響也會(huì)隨時(shí)得到補(bǔ)償,聚焦精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越以往的拋物面望遠(yuǎn)鏡。
(“鍋底”始終形成一個(gè)可動(dòng)的拋物面,時(shí)刻把主軸指向要觀測(cè)的目標(biāo))
和波多黎各那個(gè)300多米的大鍋相比,或者說德國伯恩100米可轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡相比,“天眼”可以說兼顧了雙方面的好處,口徑上又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過,是一個(gè)劃時(shí)代的產(chǎn)物。表面上看,“天眼”只是借助地勢(shì)和中國的超強(qiáng)土木工程能力造了一口超級(jí)“大鍋”,但實(shí)際上,它是21世紀(jì)信息技術(shù)和工程能力結(jié)合,制造的科學(xué)奇跡。不意外的話,兩年后“天眼”正式運(yùn)行,必然會(huì)做出驚人的發(fā)現(xiàn)。
返回的路上,我也在思考:雖然“天眼”很驚艷,客觀來說,中國企業(yè)在很多工業(yè)門類上尚待追趕。就拿坐著的汽車來說,汽車工業(yè)反映了各國在第二次工業(yè)革命方面的積累。中國現(xiàn)在已經(jīng)是世界第一的汽車生產(chǎn)大國,但2016年世界汽車銷量排行榜上,前十名都不是中國品牌。要追趕世界先進(jìn)水平,一方面必須在繞不過去的工業(yè)門類上“補(bǔ)課”,另一方面也可以積極利用第三次工業(yè)革命的成果,嘗試“彎道超車”。
比如說,在去看“天眼”的路上,比亞迪的智能車載系統(tǒng)可以讓我在大屏幕上看閱兵直播,這除了說明汽車和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合,這也說明汽車電力系統(tǒng)提供了充沛的電力,可以為車載電腦提供越來越多的功能。
而車載電力充沛,意味著汽車要管理前所未有的電池系統(tǒng)——這需要計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢測(cè)每一塊電池的狀況,調(diào)整負(fù)載,才能讓幾百塊電池聯(lián)動(dòng)起來,和能量密度更高的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)競(jìng)爭(zhēng),更快地趕超歐美的先發(fā)優(yōu)勢(shì)。
從這個(gè)角度說,電動(dòng)車企的電池管理系統(tǒng),和“天眼”協(xié)調(diào)數(shù)千個(gè)促動(dòng)器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有異曲同工之處,都是用信息時(shí)代的技術(shù)改造20世紀(jì)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)前所未有的功能。
波多黎各的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡建于1963年,開始是固定的金屬網(wǎng),1974年升級(jí)為固定金屬板,1980年再次擴(kuò)建到366米直徑。但無論怎么擴(kuò)建,貴州“天眼”(縮寫為FAST)已經(jīng)在更高的層次上壓了過去,在可預(yù)見的將來也必然是世界最強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡。希望這種趕超能成為中國科技發(fā)展的常態(tài),希望中國工業(yè)的目標(biāo)像“fast”望遠(yuǎn)鏡一樣遠(yuǎn)大。
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