天眼射电望远镜的创新意义讲稿16页.docx
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天眼射电望远镜的创新意义讲稿16页
天眼射电望远镜的创新意义
（讲稿）
前言
中国“天眼”，是最近我们国家科技领域里的一个爆炸性新闻。
“天眼”究竟是怎么回事，有什么意义、作用？
这都是大家都关心的事情。
那么，我今天主要从以下四个方面重点分析一下射电望远镜的创新意义：
第一，“天眼”看什么？
也就是它的功能、作用；第二，“天眼”中的科学技术；第三，射电望远镜的创新历程；第四，中国创新对世界的贡献。
一、“天眼”看什么？
“天眼”是一个通俗的说法，实际上就是射电望远镜。
从广义上说，凡是天文望远镜都可以称之为“天眼”。
中国“天眼”是目前世界最大的、技术含量最高的射电望远镜。
那么，中国花这么多钱做这样一个“天眼”，究竟要干什么？
2016年国庆假期，中国出现了一个新的旅游点，就是以“天眼”为主的天文旅游点。
这个旅游点非常热，实行实名游览制，每天限量2000人。
为什么？
因为“天眼”望远镜的要求非常严，当地不能有信号，参观人员不能带手机。
这个设立在贵州省平塘县克度镇绿水村一个深山天坑里的天文望远镜全称是500米单口径球面射电望远镜（英文简称FAST），于9月25日正式开始试运行。
克度镇也由此一举成为世界著名的天文小镇。
当地在工程建设当中，也同步开始了天文小镇的旅游设施建设工作。
望远镜，简单来说就是利用透镜或反射镜以及其他光学器件观测遥远物体的光学仪器。
世界上第一架望远镜是在1608年由荷兰米德尔堡眼镜商汉斯·利伯希制造的。
但是，这个望远镜虽然制造了若干架，却并没有真正用在科学上。
第一部投入科学应用的望远镜是意大利人伽利略1609年发明的一个40倍双镜望远镜。
所以，我们一般在教科书上讲，第一个望远镜是伽利略发明的。
1611年，德国天文学家开普勒用两片双凸透镜分别作为望远镜的物镜和目镜，大大提高了放大倍数，被称为开普勒望远镜。
这是大家比较熟悉的，现在的天文望远镜一般都采用开普勒式。
后来，牛顿也发明了望远镜，使用了一些其他的技术。
总体来说，这些望远镜都属于光学望远镜，以人眼观测为主，可分为折射望远镜、反射望远镜、折反射望远镜等。
但对于过于遥远的天体及来自各类天体的射电辐射，人眼是看不到的，于是产生了用于探测天体射电辐射的射电望远镜。
射电望远镜不仅看得远，还具有高空间分辨率和高灵敏度。
根据天线总体结构的不同可分为连续孔径和非连续孔径两大类。
连续孔径的主要代表是采用单盘抛物面天线的经典式射电望远镜，非连续孔径是以干涉技术为基础的各种组合天线系统，也就是天线阵。
射电望远镜通过天线接收遥远星空的电磁波，接收数量的多少取决于它的口径。
口径越大，灵敏度越高，接收到的电磁波越多，所以射电天文学家都在追求建造更大口径的望远镜。
当然，建造大口径望远镜，取决于一定的技术和资金。
FAST建成之前，世界最大的射电望远镜是德国100米直径的“埃菲尔斯伯格”和美国300米直径的“阿雷西博”。
目前，中国500米直径的“天眼”成为世界上最大的射电望远镜。
这样一个大家伙，共投资约12亿人民币。
大家知道，中国需要钱的地方还很多，为什么要投资这么多钱来建造一个似乎和老百姓生活没有直接关系的射电望远镜呢？
这要追溯到20多年前。
1993年，在东京召开的国际无线电科学联盟大会提出了建造新一代射电“大望远镜”的设想。
当时的天文学家都认为德国和美国的射电望远镜使用了几十年，积累了很多数据，但是对于现在的天文学研究来说远远不够。
而且，随着信息技术的发展，各种电器的应用，地球的电波环境受到了一定的破坏，天文学家担忧如果地球的电波环境被彻底破坏了，那就很难有效地去观测更为遥远的宇宙天体了。
所以，希望在地球电波环境被彻底破坏之前，建造一个大的射电望远镜，弄清宇宙结构究竟是如何形成和演化的。
FAST主要用于脉冲星、中性氢、黑洞吞噬小天体、星体演化、外星文明搜寻等研究。
观测脉冲星和巡视宇宙中的中性氢是主要的科学目标。
观测脉冲星，可以研究极端状态下的物质结构与物理规律；巡视宇宙中的中性氢，可研究宇宙大尺度物理学，以探索宇宙起源和演化。
这对于我们研究地球本身具有重要意义。
具体来说，脉冲星是大质量恒星演化的最终产物——人类未来有望把脉冲星“改造”成星际导航，为宇宙飞船指明方向。
我们现在观测到的脉冲星已经有2000多颗，都在银河系内。
天文学家希望看到其他星系的脉冲星，从而为研究提供更多的数据和样本。
而FAST对准的是银河系外的脉冲星，预期能观测到2倍于目前已知数量的脉冲星，发现10倍于已知数量的气体星系。
这对天文界来说将是一个突破。
再看中性氢，中性氢是宇宙中未聚拢成恒星发光发热的氢原子，从物理学上讲是一个质子加一个电子。
中性氢云团的运动反映了早期宇宙演化痕迹。
所以，观测中性氢就有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。
人类很早以前就开始关心人是怎么来的，以及宇宙的起源问题。
大家都知道大爆炸理论，在一个基点产生大爆炸，逐渐产生了现在的宇宙，而宇宙仍然在不断膨胀。
但是大爆炸理论现在仍有疑问，对于大爆炸如何演化到现在的宇宙，这个过程还有很多环节没有搞清楚。
所以我们并不能证明大爆炸理论，或者其他若干宇宙起源论的正确性。
中性氢云团的研究，可以进一步深入研究宇宙起源问题，为宇宙起源的一些细节提供证据。
还有大家都关注的地外文明，就是所谓的外星人问题。
实际上，在1967年，科学家发现脉冲星的时候就看到这种电磁信号极其有规律。
因为有规律的信号一般都是人发射出来的，科学家因此认为这很有可能是外星人发出的信号，但是后来被证实这是一种高密度恒星的信号。
类似于像脉冲星的天体信号，可能是有一定规律的，也可能是有一定规则的随机信号，但不一定是由人或者其他生物调制的。
如果大口径射电望远镜收到太空中有编码的信号，那么就可以肯定，这是由地外文明发出来的。
FAST的灵敏度很高，能够看到更远、更暗弱的天体，可观测的天体数目将大幅度增加，通过探测星际分子、搜索可能的星际通信讯号，寻找地外文明的概率将提升5至10倍。
这对于天文学家研究宇宙文明和地球文明具有重大意义。
当然，如果发现外星人，是不是要有所接触，就是另外一个值得研究的问题。
传统的全可动望远镜最大口径只有100米，没法看得太远。
而500米口径的射电望远镜在理论上可以接收137亿光年以外的电磁信号，这一距离接近于宇宙的边缘。
大家知道，我们的空间边界有这么几个：
一是地球，走出地球就进入太阳系，而出了太阳系就是银河系，银河系之外称为我们的宇宙。
但是我们的宇宙并不是唯一的宇宙，天文学家认为还有其他的宇宙，这至少是理论上的推测。
现在，用射电望远镜可以看到我们的宇宙边缘。
所以，中国建造这样一个庞大的望远镜，全世界的科学家都认为，具有极其重大的科学意义。
应该说，这是中国对于世界的贡献。
FAST还将试图回答更久远的问题，如宇宙演化、脉冲星探测和星际分子等，它们将帮助解开宇宙初始混沌、暗物质分布与大尺度结构以及星系演化等领域的谜团。
这些问题都不是目前的天文望远镜所能观测、分析和解决的问题。
FAST工程不是一蹴而就的，早在1994年，也就是东京国际无线电科学联盟大会的第二年，中科院国家天文台就开始了望远镜的选址工作。
选址问题非常复杂，并不是任意一个地方都可以。
首先，要远离城市，人类的电子信号越少越好。
第二，最好是喀斯特地貌，可以渗水。
第三，几十个足球场大的工程量，需要一个安静的地方，最好是在一个山窝里。
刚好，贵州有很多天坑，中科院有关单位从上百个天坑里选择了这个地址。
另外，还有资金问题，12亿不是一个小数目，是需要国家下大决心支持的。
据说当时也有人提出，是不是建一个小一点的，经费就可以少得多。
但是后来一致认为，既然要做，就一步到位。
实际上，选址问题和资金问题相对来说都比较好办，比较难的是设计和安装问题。
我们后边要专门分析它的技术问题。
所以，中国“天眼”参与国际空间探测活动，将对世界天文学研究做出重大贡献。
一些国外的科学家，甚至政治家，都对中国的“天眼”提出了自己的看法。
他们认为，中国在参与国际空间探测活动当中，开始成为游戏规则的主导。
前些年，我们曾想积极参与由美国人主导的深空探测活动，但被美国人拒绝了，中国只好自己搞。
经过几十年的努力，我们解决了一系列问题，不仅参与了国际科学合作，而且开始主导游戏规则，标志之一就是500米口径射电望远镜的建成。
我认为，这个射电望远镜对于国际空间探测活动规则的改变，体现在以下几个方面：
一是FAST在中国建设。
以前中国也有天文台，但是没有这么大的。
二是FAST由中国建设。
在中国建设，不仅是选址合适的问题，最重要的是钱和技术都由中国人出=。
三是由中国提供初始信号。
我们将初始信号提供给相关合作者，，一起来分析。
FAST第一期的主要任务是搜集信号，之后再去分析信号，
四是通过FAST，中国肯定会取得一些国外没有的发现。
发现小行星或者其他天体活动情况，都是天文学界非常重视的贡献。
中国在这方面虽然也有发现，但是相对较少。
那么，500米口径射电望远镜建成之后，特别是在脉冲星的观测方面，中国肯定会有一些重大发现。
果然，在9月17日的一次试观测中，FAST接收到一颗距离地球1351光年的脉冲星（J1921+2153星）的信号，验证了中国“天眼”的科技水平。
二、“天眼”中的科技
“天眼”工程体现了大国的综合实力，从一个方面反映了我国已达到的科学技术与工程水平。
那么，我们看FAST工程所涉及的一些关键技术。
一是工程结构技术。
FAST索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构。
这个索网结构的模型，跟家里使用的卫星天线有点类似，有一个大锅形状的接收器，叫做馈源舱。
FAST一共用了6670根主索和2225根下拉索，拼出“天眼”索网，拉起馈源舱，仅圈梁、索网和支撑馈源舱的6座高塔就用掉1万多吨钢材。
而且索网上镶嵌着4450块反射板，每块边长10.4—12.4米，单元重427—482.5公斤，厚度约1.3毫米，共用2000多吨铝合金。
所以，这个工程量是很大的，这是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系。
二是制造和安装技术。
射电望远镜是通过天线锅（反射面）来接收信号的。
通过反射面的反射聚焦，把信号聚拢到一点上，提供给馈源接收机。
FAST的主动反射面大约25万平方米，相当于30个足球场的面积。
安装直径500米的反射面，需要制造和安装巨大的索网。
中国这些年建了很多世界一流的工程，其中规模最大的钢拉悬索桥，在原理上和这个索网结构类似。
所以在技术上，我们不仅是成熟、先进的，而且是世界领先的。
三是激光定位系统。
大锅仅仅制造和安装好是不够的，还需要能够移动调整。
美国“阿雷西博”望远镜是固定在地面上不动的，也就是说它的观测方向是固定的，而FAST可以变形。
FAST由4450块反射板拼成一个巨大的球面，由与索网相连的2000多个小电机控制，通过激光定位系统控制索网的形状，从而变换天线的方向。
这个定位精确到毫米。
这样，我们就能够跟踪一些天体的运行情况。
FAST每块反射板的背后都由钢索牵拉，可以随着天体的移动来调整瞬时抛物面的方向，从而控制FAST的核心部件——30吨重“馈源舱”，如何用钢索驱动实现馈源舱的大范围、高精度空间定位，是一个极具挑战性的技术难题。
四是驱动控制系统。
FAST项目核心部件馈源舱的主控制系统是6索并联驱动控制系统，可以控制馈源舱进行姿态、位置调整，精确地达到反射面的焦点位置，使馈源舱获取信号能力达到最佳。
由这样几个关键技术所构成的射电望远镜，国内外专家认为，未来20年到30年，FAST都能够保持世界一流设备的地位。
那么，FAST要把覆盖30个足球场的信号聚集在一个药片大小的空间里，接收无线电信号的馈源舱定位需要控制在毫米级的水平。
驱动馈源舱在距离地面高140—180米、直径为207米的空中球冠面上运动，每一部分的位移都要控制在毫米级。
这种精细控制保证了FAST的高灵敏度将比德国的“埃菲尔斯伯格”提高约10倍，综合性能将比美国“阿雷西博”提高约10倍。
在技术上，也是世界先进的。
FAST是中科院承担的国家重大科技基础设施建设工程之一。
国家在“十一五”时期、“十二五”时期连续投入大量资金，进行了长期的研究和积累。
其中，FAST圈索及索网工程获“中国钢结构协会科学技术奖”特等奖。
专家认为，FAST索网制造和安装总体达到国际先进水平，高应力幅索的研发和高精度制造达到国际领先水平。
我们简要介绍了500米口径射电望远镜的一些技术情况，制造这样一个射电望远镜不仅需要技术，还要有一系列的科学研究来支撑。
所以我们讲，这个射电望远镜的建造、施工和安装全面体现了我国科学技术的水平。
三、射电望远镜的创新历程
FAST虽然是在2016年建成，但实际上我们从1993年开始论证到真正建造完成用了10多年的时间。
射电望远镜的建造是各个部门、各个领域技术的集成。
深空探测是21世纪航天发展的一个重要方向。
《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将探月工程列入国家重大工程。
经过10多年的努力，我国已在深空自主技术、轨道设计与优化技术、测控与通信技术、能源与推进技术、着陆探测技术等方面取得重要突破。
最大的成果是不仅我们的卫星、飞船上天了，而且我们的宇航员也上天了。
2016年10月17日，神舟十一号飞船成功发射，搭载飞船的运载火箭将与空间实验室在太空对接。
我们看一下，“十一五”时期和“十二五”时期，国家列出的包括射电望远镜在内的一系列深空和地球观测重大科技项目。
“十一五”期间，国家863计划“地球观测与导航技术领域”设立“深空探测与空间实验技术”。
其中，设立了火星探测系统、深空探测关键技术、月球科学信息系统关键技术、空间环境数据监测与实验技术、小行星探测系统等7个研究方向。
2016年8月16日，我们成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”，将进行星地高速量子密钥分发实验和广域量子密钥网络实验，这表明中国量子通信技术实用化整体水平已达到国际领先地位。
这些都是中国从改革开放以来，在高新技术领域持续投入，由国家进行规划和项目资金支持，并长期研发的结果。
我们近期还制定了一个未来20年空间探测发展战略时间表。
简单来说，就是我们已经着眼于火星的着陆探测，计划在2020年发射，2021年到达。
为此，我国已与30多个国家开展了政府间合作，和世界主要航天组织进行了多个领域的合作，推动了世界卫星技术、卫星应用和空间科学等领域的深入合作。
目前，我国和俄罗斯的航天部门正在稳步推进双方在火箭发动机、电子元器件、对地观测和深空探测等领域的合作。
另外，我国和欧洲国家在空间科学等领域的合作也取得了很多成果。
比如中法海洋星和中法天文星，经过5年的合作，中法海洋星将在2018年发射，中法天文星将在2020年左右发射。
而这些合作也正在成为未来我国在重大航天工程中加强国际合作的基础。
这些年，中国科技的发展虽然仍有很多不如意之处，但是中国科技创新能力的提高是有目共睹的。
中国最新的科技论文统计结果显示，2006至2016年的10年间，中国高被引国际论文数量、国际热点论文数量双双位居世界第三。
虽说大家对论文数量颇有争议，认为论文数量未必反映真实的技术水平，但是从国际论文和国际热点论文的角度看，还是有含金量的，国际知名杂志的审查程序非常严格。
18个学科论文被引用次数进入世界前十位，其中8个学科进入世界第二位，仅次于美国。
世界发达国家有20多个，中国进入前10位，可以说是进入了第二梯队。
第一梯队是美国、英国、德国等国家。
中国取得这样的成果，和我国科技创新战略是离不开的。
据统计，中国在高影响力国际期刊上发表的论文中54.6%是得到国家自然科学基金资助的。
经过几十年的持续努力，中国在创新能力上有很大提高。
“十三五”前期，我们对中国11大领域80个子领域和1300多项代表性的关键技术进行了技术水平评价。
总体来看，我国近90%的技术和国际领先技术的差距在缩小；16%已达到国际领先水平，领跑这个领域的科学技术发展；30%达到了国际先进水平，和国外同行并肩前进；54%与国际先进水平有差距，仍处于跟跑的状态。
也就是说，我国现在由全面跟踪进入一个领跑、并跑和跟跑“三跑并重”的阶段。
今后一二十年里，领跑的比重将逐渐加大，而跟跑的比重将逐渐减少。
我国创新能力的提高，也得到了世界公认。
路易汤森公司发布的《2015年全球创新报告》认为：
中国初步具备全球创新领导者的潜力。
麦肯锡公司的报告认为：
中国在客户中心型创新方面积累了成功案例，在效率驱动型创新方面巩固了全球制造业中心地位。
四、中国创新的世界贡献
从FAST的设计、研制以及未来的运行，我们可以看到它对中国参与国际合作的重要作用，反映了中国对世界的贡献。
国家“十三五”科技创新规划，对空天探测、开发和利用技术也做了具体部署。
对于深空探测，围绕太阳系及地月系统起源与演化、小行星和太阳活动对地球的影响、地外生命信息探寻等重大科学问题，以提升我国深空探测与科学研究能力水平为目标，力争获取一批原创性科学成果。
500米口径射电望远镜的建造为我们取得一批原创性科学成果奠定了很好的基础。
2018年，我们要发射嫦娥四号，实现世界首次月球背面着陆巡视探测。
2020年要完成小行星、木星系、月球后续等深空探测工程方案深化论证和关键技术攻关。
相较于“十二五”，“十三五”科技发展部署的面更宽、研究的内容更深，特别是专门设立了一个国际大科学计划和大科学工程。
1.国际热核聚变实验堆（ITER）计划。
这个计划是过去作为重大工程实施的。
2.平方公里阵列射电望远镜（SKA）计划。
这个计划延续射电望远镜的研究。
3.参与地球观测组织（GEO）。
4.参与、主导国际大洋发现计划（IODP）。
我们已有的“蛟龙号”，能够潜到7000米，甚至到万米以下的深海，这为我们参与，甚至主导国际大洋发现计划，打下了很好的基础。
5.发起实施国际大科学计划和大科学工程。
这个大科学计划和大科学工程，让人感到非常振奋。
不仅对世界有巨大贡献，而且体现了中国的长远眼光，对中国创新能力的整体提升，也有重要的作用。
我们回过头来看，经过这么多年的发展，我们取得了较大的成果。
但是在很多领域仍然落后于美国、英国、德国，甚至日本。
特别是关于诺贝尔奖的问题，以及在一些重要专利方面，我们确实还有一定的差距。
这就涉及当代的科技发展。
我们知道，早期的技术主要从实践当中来，通过实践经验逐渐总结而成。
但是，这些技术往往能总结出来，却未必能回答出为什么。
也就是说，未必能找到科学依据。
现代的科学技术领域，情况发生了很大变化。
特别是在一些大科学领域，所谓大科学，就是指那些规模、投入非常大，需要长时间团队研究的科学。
这样的科研需要国家的支持，要有国家战略目标，而不是像早期的实验研究那样完全靠个人的兴趣。
现在的科学研究是分层次的。
一部分具有自由探索性，完全是个人、小组自己随心所欲，有兴趣就去研究，当然也要有一定的科研水平，经过一定程序的审批。
另一部分就是大科学工程，比如量子反应堆、射电望远镜等，没有国家的组织、规划、设计和推动，很难做成。
所以，现代的创新链，是一个从原始性创新，到基础性应用技术、实验室工程技术，再到产品研发、生产、上市的过程。
没有基础研究的突破，很多领域的创新是不可能有的。
所以21世纪，很多国家以及专家学者都期待并且认真准备着在一些领域有进一步的重大突破。
鉴于此，像中国这样的大国，对基础研究领域的部署就非常重要，也很有长远眼光。
长期以来，我们对基础研究的投入相对较少，长期维持在研发投入的5%，比起发达国家还是比较低的。
但需要理解的是，我国不是发达国家，长期以来，二元经济特点、城乡差距和工农差距比起一般的发展中国家更要突出，特别是我们在经济发展转型方面面临着很重的任务。
所以，曾经在一个时期内，我们比较强调技术研发和专利获取，强调成果的转化和应用，来解决当前亟需解决的一些问题。
当然，国家毕竟不能只看眼前，将来还要逐步加强对基础研究的投入。
对于基础研究来说，不仅是经费的问题，参与国际合作也非常重要，因为科学领域不像技术领域，合作大门基本是敞开的。
美国有时候会从政治的角度把我们排斥在外，欧洲相对来说要好一些。
所以我认为，将来基础研究在我国科技领域里的比重会逐步提升，科技投入的结构也要逐步调整，要符合中国国际地位提升后应有的形象。
诺贝尔奖就是一个标志，它标志着一个国家在某一个领域的研究水平。
总体来说，在科技领域里是有一定权威性的。
但毕竟，第一，它不是一个国家行为。
毕竟是诺贝尔自己设立的，严格来说，是一个私人基金，只不过具有了国际声誉。
所以，我们不能指望其会非常公正，即使在科学领域里，也出现过引起国际科学界重大争议的奖项，在和平奖领域里的问题就更多了。
第二，诺贝尔奖几乎是终身奖，它要经过几十年的验证，证明这个科学成就是大家承认的，所以需要的时间很长。
现在的诺贝尔奖的成就，基本上都是20年以前的成果。
中国从改革开放以来，真正加强基础研究的时间也才二三十年，能够取得这样的成果，已经很好了。
那么，我们该如何看待诺贝尔奖？
我多次听到国外诺贝尔奖获得者说他们可能会关注，但是对于自己获奖很惊讶。
真正的科学家都持有平常心，他们并不非常在意获奖。
对于我们来说，现在一方面是要把基础研究，特别是事关国家战略意义的重大项目的基础研究列入规划。
另一方面，就是要对科研人员，特别是基础研究人员有一定激励、支持，要有一定的开放度，包括国际合作的开放和对他们研究失败的宽容。
当然，更重要的是我们的科研体制和科学技术文化。
现在，中国在科技文化层面，尤其是诚信方面，出现了一些问题，急于出成果，甚至有人因此采取一些不正当手段，这对中国科学发展的声誉和科技发展的步伐都有重大影响。
近两年，党中央和科技主管部门制定了一系列重大科技管理体制改革的政策，如果这些体制改革政策能够落实到位，那么，中国的创新发展，包括基础研究的发展，将会进步得更快，中国对于世界的贡献才能真正展现出来。
现在，我们的射电望远镜向世界开了一个窗口，让世界看到中国开始作出它应有的贡献。
谢谢大家。
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