李菂教授演讲实录三次意外，我所经历的射电天文学

　　天眼精确测量宇宙信号的能力正在非常有效地推动一系列新的前沿探索，其中最有代表性的是＂快速射电暴＂。
　　我们的目标只有一个，就是做出能够匹配我们所处的时代、所处的文明，以及在人类文明发展史所处位置的成绩。
　　李菂教授
　　观测天文学家
　　中国科学院国家天文台研究员
　　国家天文台FAST
　　运行和发展中心首席科学家
　　在2023复旦管院新年论坛上的演讲
　　＂三次意外＂
　　——我所经历的射电天文学
　　我今天很荣幸在新年伊始给大家分享中国天眼的近况。
　　大家看晚上的中国天眼，能够看见光的螺旋线，这实际上是一个卡车从巨大的金属构架底下开过去，它本身是可以透光的，大家看到的这个巨大无比的天线有超过一半的面积是由一些微小的孔洞组成的。我2012、2013年的时候就开始用这样一个比喻：这样一个500米直径的大锅如果装饭的话，全世界每个人至少分两碗。由于这些孔洞的存在，它可以透光透水，但是不能透过无线电波，因为这个孔洞的直径要远远小于波长。实际上，它是一个科学的装置，通过反射和收集来自宇宙的无线电波，来研究天文中的一些重要的课题。
　　大到一个像天眼这样的巨无霸科学装置，小到一杯咖啡，实际上都凝聚了整个人类文明发展历史里头的浪漫和血腥。我想把天眼的发展放到历史的上下文里去，所以我今天报告的题目叫＂三次意外＂。
　　意外的先驱：宇宙的原子气体辐射
　　这是我们现在所谓可观测宇宙的一个较为有共识的认识：宇宙最开始是一个奇点，它有一个剧烈的爆炸，在这之后它的体积极度膨胀，随着能量的降低，能量转成物质。转成物质，在原子层面最基本、最主要的成分是原子氢气，在这之后，随着宇宙的继续膨胀，原子氢气会进一步形成恒星、行星以及生命，也就是变成我们现在可以看到的这样一个丰富多彩的宇宙。但是即使到现在，大家肉眼可见的星系和恒星的总质量也远远小于原子氢气。所以，实际上整个现代射电天文启程的里程碑就是原子氢气的试验发现。
　　它是1951年一个哈佛大学物理系研究生不务正业的业余爱好的试验，因为他的主业是做回旋加速器。他搭建了一个非常简单的天线，给这个天线配以了当时世界上非常先进的电子学系统，就找到了原子氢气，在物理上预言它在无线电波段的一个辐射。这个辐射的频率在1.4GHz，就是1秒钟电磁场要反复振荡14亿次。它对应的波长是21厘米。这一发现确认了宇宙物质最主要的组成成分，也开启了一系列天文中非常重要的子领域。
　　实际上，欧文博士的发现是相当意外的，2001年，我们开了一个纪念这一发现50周年的大会上，他回忆，由于他是一个物理专业的学生，不是天文圈的人，所以他并不知道荷兰的大天文学家——提出这些原创想法的先驱者已经在非常严肃地做这个试验。他回忆说＂Had we known，we would not have tried.＂ 而更令业内人士震惊的是他这个项目的预算，因为他当时还是一个在读的学生，所以他是请他的老师给天文系系主任写了一封要钱的信，他整个试验的预算，加上这些元器件、天线一共是500美金。
　　欧文能够用500美金打开人类的一个新视野，这除了他自己的心灵手巧之外，和他所处的历史环境是直接相关的。他可以用500美金做世界前沿的物理试验的一个最主要的个人原因，就是范尼瓦尔·布什。他是一个天才的工程师，主管美国的战时科学研究，当时美国政府有一个办公室OSRD，就是主管战时的基础研究和发展，OSRD还主持了曼哈顿计划早期的管理。范尼瓦尔·布什后来也成为美国自然科学基金的创始人。
　　OSRD的一个核心目标是发展雷达，其中一个举措就是在MIT设立了射电实验室Radio Lab，在二战时期这个射电实验室巅峰达到15000多人，但是到了1950-1951年，也就是欧文开始做试验的时候，这个实验室基本上已经接近关门了。因为战争过去了，国家的投入要回到民生方面。而这个实验室遗留了大量军方过剩的电子元器件，欧文知道怎么去使用，而且有他自己原创的想法去利用这些所谓的military surplus instruments，这也是为什么他能用白菜的价钱做人类最前沿的科学探索。
　　在美国的自然科学基金的网站上，有一份解读，这可能就是布什对后世最为深远的影响，他在二战结束的时候给罗斯福总统提交的一个科学报告，叫做《科学：无尽的前沿》。他列出了战时的一些面向国家核心需求的、以国家主导的基础研究得到的经验，他说政府如果要去支持工业研究的话，最重要的是支持基础研究。《科学：无尽的前沿》的文本里对于国家支持基础研究比较深入的思考，简单总结就是支持基础研究，支持人才，军民融合。
　　2018年上半年，美国自然科学基金驻北京办公室主任Nancy S. Sung到中国天眼的现场来访问，送了我单行本的《科学：无尽的前沿》。2018年下半年，美国自然科学基金中国办公室永久关门，不知道在我的有生之年能不能看到USNSF在中国的重新开门，但是我们更期待的是看到中国的自然科学基金办公室能够开到纽约去。
　　意外的巨目：阿雷西博望远镜
　　欧文打开看无线电天空的窗口，到了20世纪60年代，就横空出世了一个巨无霸的天线，它的提出也是非常意外的，因为它的提出和建设并不是由天文学家主导的，是由电子工程师主导，特别是康奈尔大学的威廉·戈登。
　　威廉·戈登是美国二战的老兵，他得到老兵奖学金的支持，在康奈尔念书，然后留下来做教授。他提出的想法是要研究等离子层的雷达的回波，但他的计算是有问题的，而且他的同事很快就指出来实际上你的科学目标不需要300米，只需要30米。但是非常意外的是，到了1958年底，美国新成立的一个国家资助委员会Advanced Research Project Agency（ARPA），在明知道这个计算是很有争议的前提下，资助这个300米的巨无霸望远镜。
　　这要放到当时非常激烈的大国角力和天空竞赛的历史背景里去理解。在威廉·戈登提出这个前沿想法之前的几个月，苏联成功发射第一颗人造卫星开启了人类的太空竞赛，美国能够得以跟进，是完全得益于钱学森先生所创立的喷气推进实验室。在这个实验室的基础上，美国政府决定成立航空航天局（NASA）。而NASA的成立，使得另外一个战略性的资助机构，就是ARPA转向了地面上的前瞻性的项目。所以ARPA资助的第一个革命项目就是阿雷西博望远镜。
　　整个美国空间的发展，还有人类空间竞赛的脉络，实际上都在十几年前的著名的外交文档里有所表述，就是乔治·凯南的长电报。这个长电报的核心总结就是为了进行文明的制度的对抗，为了赢得冷战，他说＂我们必须规划和展现一个远比过去更为正面和有建设性的世界蓝图。＂所以，这样一个基础研究的大型设备是冷战的直接后果，但它展现的是追求那种正面的和有建设性的世界蓝图。
　　阿雷西博望远镜实际上从1958年提出，它的立项在1959年，1963年就建成了，是一个非常惊人而且非常成功的巨型科学设备。从它落成开始，就在不断地改写我们的教科书，改写人类对于无线电天空的理解。特别是1973年，它发现双中子星，1993年因此获得诺贝尔物理学奖。
　　到了90年代中期，中国科学家老一辈的科学家，特别是南仁东先生为代表，他们1996年第一次到阿雷西博望远镜的现场去实地考察，也在90年代中期提出了中国天眼的概念。
　　意外的困难：星际磁场的测量
　　我正好是在上世纪90年代的后半期，一直到2000年初，在康奈尔大学攻读天文博士，也是利用阿雷西博望远镜做了一些小小的工作，其中比较有代表性的是2003年，我们发表了所谓的星际的窄线自吸收，它也是利用阿雷西博望远镜找到了星际介质中间原子氢气一个非常冷的亚成分，而它的冷是由于跟星际的分子相互碰撞给制冷下来的。
　　当时那篇文章的题目，也就是我们给这种新现象的命名叫HI narrow self-absorption，简写HINSA。HINSA这样一个观测和研究星际介质成分的方法现在被广泛应用到对于整个宇宙里的恒星和星系形成的计算和理解当中。
　　但是从HINSA发表的那一天开始，我们的同行包括我们自己就意识到，它真正重要的潜力是对于星际磁场的测量。大家可能从中学的教科书里就熟知，人类对于磁场的测量有非常固定的办法，其中最重要的就是法拉第的办法，他拿一个线圈包住磁铁，当这两个物体有相互作用的时候，由于线圈会切割磁力线，它会产生感应电流。但是人类的科技现在还完全不能够去飞一个线圈到几百甚至几万光年之外，现场测量星际空间中的磁场。
　　这样远距离遥感的测量，实际上人类现在只有一个工作的物理原理，这个是在100多年以前就得过诺贝尔物理学奖的塞曼效应。塞曼效应最经典的一种方式，是去看一个量子跃迁。由于是量子跃迁，它有一个固定的辐射频率，在它受星际介质磁场作用的时候，会使它的左旋和右旋的偏振产生一个频率的分离，实际上就是能量的不同，这样就会进一步看他们俩的区别，产生黄色的像倒过来的S形状的特征。HINSA有可能成为第一个用原子谱线去测量星际分子介质中间磁场的办法。
　　从2003年到现在，将近20年的时间，我们和同行都进行了大量的尝试。但是这个试验比想像的要困难很多。现在回过头去看，一个重要的原因就是当时世界上最重要的也是最有力的阿雷西博望远镜对于来自宇宙的电磁场有非常重大的遮挡，它能够遮挡太阳光，也就能够遮挡无线电波，这个传播的原理是完全一样的。
　　作为对比，如果我们把中国天眼放到同样的比例，它的接受装置对于光路的遮挡要小得多。这样一个非常具体但是又非常关键的优势，使得我们在去年第一次利用中国天眼成功测到HINSA所谓氢气的窄线自吸收的塞曼效应，它所揭示的就是星际空间中的大约4个微高斯的微弱的磁场，4个微高斯大约相当于地球磁场的10万分之一，所以这是一个精确测量的挑战。这也得到了我们同行的相当重视，称它是一个由创新性方法产生的极端重要的观测，而且对于恒星形成的领域有潜在的革命性的影响，这是发在2022年第一期《自然》杂志的封面上。
　　天眼的精细测量
　　实际上，天眼的这种精确测量宇宙信号的能力现在也在非常有效地推动一系列新的前沿，这里头最有代表性的就是所谓的快速射电暴。同一个脉冲诞生的时候是一瞬间，但等它到达地球的时候就已经被拉开了，我们一般称这种效果叫色散，它是由于这样一个无线电信号，穿过星系际空间的时候，高频部分的光速要快，低频部分光速要慢，这使得它整个的信号在时间上有一个延迟，这个延迟使得我们可以反推它的距离。
　　而真正能够确定这一类信号的距离，就已经到了2017年，人类对于第一例能够确定它的速度、星系和距离的信号是发表在2017年第一期《自然》杂志的封面上，也被称作是自LIGO引力波探测之后，天文学最重大的发现。由于这个发现，我们能确认这样一个非常亮的脉冲是具有宇宙学起源的，也就是快速射电暴这一类的现象，它的简写叫FRB，对应的是Fast Radio Burst，它在毫秒，也就是千分之一秒的时间尺度内，可以释放相当于太阳一整年的太阳能。对于这样一个全新的神秘天象，我们现在完全不知道它的物理起源，我们还处在非常早期的黑暗中的摸索阶段。
　　我把现在已经发表的600多例的神秘爆炸事件画到一张图上，如果宇宙诞生的那一刻，通过大爆炸，它的年龄是0，到现在假设是一个中年的宇宙，50岁，我们可以比较粗略地把宇宙的年龄分成幼年、少年、青年和中年。而纵轴是每一次爆发所对应的等效的太阳能，有的相当于1小时太阳能能量，有的相当于一年甚至几年的能量。中国天眼通过所谓的CRAFTS巡天发现了4例，从数量上来讲并不是非常多，但因为这4例是对于天空比较没有偏差的巡视，我们可以反推出去，整个宇宙里头每天的爆炸到达地球的数量是12万次以上。所以，我们是生活在一个非常剧烈变化的，也是非常丰富多彩的的动态宇宙里头。
　　今年，天眼还发表了一例所谓持续活跃的新的重复快速射电暴，它第一次出现在我们的数据里是2019年5月20日，一般快速射电暴我们就用它第一次被探测到的时间去命名，所以它就叫190520。这是我们的几百例里唯一一例持续活跃的，因为其他的快速射电暴虽然爆炸的时候很亮，但是大多数都只爆炸一次，极少数有可能非常活跃，但是就像发神经一样，有的时候1小时可以好几百次爆炸，然后就持续几个月甚至大半年一次爆发都没有。这个发现也是入选了去年《科技日报》评选的国内十大科技新闻，以及中央台发布的国际十大科技新闻。
　　2019年发现了190520之后，我们又把FAST转向人类知道的第一例，也就是确认了快速射电暴这种天象的宇宙学起源的第一例重复爆121102，它第一次出现在人类的数据里是2012年11月2日。用《千里江山图》的风格，＂蜿蜒的河流＂实际上是天眼测到的一系列真实的脉冲，这种跌宕起伏的山峦实际上是它在不同的时间和不同能量上爆发的数量。整个工作包含了1652个爆发事件，超过了这一领域十几年所有的出版物里对于所有快速射电暴记录的爆发数量的总和，它也是入选了2021年度的中国科学十大进展。天眼对于来自宇宙的神秘信号的各种各样的精细特征，它的能量、爆发时间，特别是偏振的特性，在去年年底发表在《科学通报》的封面上。
　　整个快速射电暴领域非常年轻，到现在一共有29篇《自然》和《科学》的论文，如果仅仅以Nature、Science作为这一领域内高影响力工作的量纲，在有中国天眼以前，中国这一类文章的占比是0，到了今年，2022年年度我们已经占比到了70%以上，所以这是完全反映了在试验科学领域国之重器的重要性。
　　不论是对于星际磁场的精确测量，从追赶到引领快速射电暴的新兴前沿领域，都只是中国天眼重要工作的一部分。它从2020年正式转入科学运行以来，已经大约有400个观测项目在开展，催生了超过150篇的学术论文，现在已经有7篇Nature，2篇Science，还有2篇《中国科学》的封面论文，和1篇《科学通报》的封面论文，以及入选中国科学十大进展这样一系列的重要成果。
　　历史进程的受益者、参与者和建设者
　　我去年还注意CHIPS法案，即芯片法案，很多章节没有提中国，但是里头字字句句都含着中国。法案有一个很长的附录，附录里面就提到了跟科学竞争力相关的一系列的设施、研究方向，有一小段叫做section10365，它实际上是对于阿雷西博望远镜的一个认可。里面写阿雷西博望远镜是世界上最大的单天线的射电望远镜，直到2016年FAST望远镜投入运行。我还是挺感慨的，至少在我作学生时完全没有预想到，一个科学的设备或者一个科学设备的转变和转折，还能够进入国会的文档。
　　大家可能也关注，或者听说过Kishore Mahbubani，他是新加坡原来驻联合国的外交官，最近十几年他出了一系列的文本，有一个贯穿始终的主题，就是现代制度的演化和亚洲崛起的不可阻挡：＂过去200年，西方经济和文化在世界绝对的统治地位是近千年文明史中的一个非正常现象＂。如果按照Purchasing Power Parity（PPP，等效购买力评价）来算，那么中国应该在2015-2017年之间就已经超过美国了，它跟GDP的算法是不太一样。但是这种算法的差别不影响百年或者千年的历史观。
　　从公元前开始，亚洲几大文化圈和经济体实际上在世界上占了一个主导的位置。在公元前100多年，埃及著名数学家托勒密所创造的整个一套行星和恒星运行的宇宙观，实际上领先了世界一直到文艺复兴。从15世纪开始，特别是在文艺复兴的中心意大利，产生了哥白尼、伽利略这样伟大的哲学家，重新确立了我们现代的宇宙观，日心说、现代物理以及现代天文。随着经济、工业、技术和整个文明中心的转进，在英国牛顿、法拉第、麦克斯韦完全奠定了我们的物理世界观。到了19世纪末，德国的赫兹制造了人类历史上第一个能够发射无线电信号的天线。
　　20世纪，从科学上讲当然肯定是美国的世纪，范尼瓦尔·布什创造了自然科学基金这样一个现代的科学管理体制。实际上世界各国，包括中国的自然科学基金都是大量地借鉴和学习它的一些理念。在20世纪后半期，威廉·戈登所提出和创造的阿雷西博望远镜在无线电探索宇宙的领域领先全世界超半个世纪。
　　南仁东先生是在2017年不幸过世的，他所提出和创造的FAST望远镜，应该是代表人类在无线电频段对于太空探索至少是21世纪早期的一个代表性成就。
　　所以我跟更年轻的科学家，特别是我的学生交流时老说，我们现在实际上已经到了一个历史的节点，我们不再需要去区别国内领先或者国际领先，这已经没有实质的区别了。我们的目标只有一个，就是做出能够匹配我们所处的时代、所处的文明，以及在人类文明发展史所处位置的成绩。这是我们必须的，也是一个最低的要求。
　　最后跟大家分享一张图片，左边是阿雷西博望远镜，右边是在阿雷西博望远镜这个概念上融入一系列创新的接班人，中国天眼FAST望远镜，它们的大小比例基本上是按照一个是300米，一个是500米来进行匹配。阿雷西博望远镜是美苏冷战的一个直接的后果，而中国天眼FAST是中国过去30年这种历史性的积淀投入以及科学历史性增长的一个结果。我们是非常幸运的，是这个历史性进程的直接受益者，也是这个进程的参与者和建设者。
　　这就是我今天想跟大家分享的全部内容。谢谢！