吳麗瑋
一個充滿想象力的科學(xué)家和他23年守望夢想的故事。
9月15日,72歲的南仁東在美國治療肺癌時去世?!八f,如果有一天他真的不行了,他就躲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)的,不讓我們看見他。”FAST工程調(diào)試組組長姜鵬回憶說,這可能就是南仁東的性格,希望保持著最有尊嚴(yán)的形象。
姜鵬來天文臺面試的時候,并不知道南仁東是誰,“只是感覺到他強(qiáng)大的氣場,一看就是‘頭兒,甚至有點(diǎn)像‘土匪頭兒”。從上世紀(jì)90年代開始籌劃FAST項(xiàng)目時,南仁東就一直留著一撮小胡子,過了20多年,頭發(fā)和小胡子都已變得花白。在工地上他隨意地穿著大汗衫,鼻梁上架著近視鏡和老花鏡,回北京又變回了時髦老人,有時候回到校園給研究生上課,他會穿花襯衫和牛仔褲,有一次還穿了條很潮的皮褲?!俺鰢鴧⒓訉W(xué)術(shù)會議也很注重形象,要帶一箱子衣服去?!盕AST工程辦公室副主任張海燕說。
群山之中的FAST工程(攝于2016年9月24日) ?
南仁東是1963年吉林省的高考理科狀元,考入清華大學(xué)無線電系,“文革”之后,在北京天文臺讀天體物理的研究生。他是一個愛好藝術(shù)和哲學(xué)的科學(xué)家,尤其喜歡畫畫,在日本國立天文臺訪學(xué)期間,創(chuàng)作了一幅油畫《富士山》,至今仍掛在該校教學(xué)樓的大廳里?!坝幸淮挝覇査?,為什么反射面周圍的六座百米支撐塔要等間距排布,打亂排不是能減少很多工作量嗎?結(jié)果他就一句話,‘那樣不好看。別看他忙,但做PPT特別講究,有一次開完會其他單位的人問我,你們是請專人幫忙設(shè)計PPT嗎,怎么版式那么好看?其實(shí)都是南老自己做的?!盕AST工程副經(jīng)理張蜀新向本刊回憶道。
“也許是因?yàn)橄矚g藝術(shù),他和一般科學(xué)家不太一樣,想法不受拘束,很有想象力,經(jīng)常會冒出很多創(chuàng)新點(diǎn)出來?!盕AST工程接收機(jī)與終端系統(tǒng)高級工程師甘恒謙對本刊記者說。
數(shù)千塊單元組成的球面主動反射面技術(shù)是由南仁東主導(dǎo)的FAST最大創(chuàng)新點(diǎn)之一。主動反射面技術(shù)在以往的射電望遠(yuǎn)鏡中雖已有應(yīng)用,但都用在小范圍的改變上,目的是通過改變單元反射面的位置來保持整個反射面的拋面形狀,而FAST的反射面要進(jìn)行大范圍的運(yùn)動,每一個單元反射面的作用是要將球面改成拋物面,通過主動的變形實(shí)現(xiàn)對天體跟蹤式的觀測。而要實(shí)現(xiàn)這種跟蹤觀測,對反射面上空的饋源艙定位精度要求很高。目前規(guī)模世界第二的美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡球面口徑為305米,由100米高的三座鐵塔支撐著一個重達(dá)500噸的三角形平臺和可移動饋源臂,以及下方懸掛著的重75噸的圓屋組成饋源艙,“305米口徑的望遠(yuǎn)鏡,這個平臺的長度大概在百米量級,如果我們500米口徑的望遠(yuǎn)鏡仍然采用這種結(jié)構(gòu),平臺長度至少要達(dá)到250米,這個不太現(xiàn)實(shí)?!备屎阒t介紹說,F(xiàn)AST的饋源艙使用了名為“輕型索拖動饋源支撐系統(tǒng)”的新設(shè)計方案,由六座支撐塔吊起六根鋼索,通過索長度的收放,調(diào)節(jié)饋源接收機(jī)與發(fā)生形變的反射面之間的相對位置關(guān)系,實(shí)現(xiàn)高精度定位。FAST的饋源艙平臺重量僅為30噸,移動起來非常靈活,與德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡相比,F(xiàn)AST的靈敏度提高約10倍,與阿雷西博望遠(yuǎn)鏡相比,其綜合性能也提高了10倍。
當(dāng)時他們做過幾個饋源支撐縮尺模型試驗(yàn),饋源艙的指向一直不能達(dá)到最大的觀測角要求。“由于饋源艙是由塔上的鋼索拉動的,角度始終趨向于水平狀態(tài),如果達(dá)不到40度的角度,就看不到銀河系的中心?!备屎阒t說,南仁東很有想象力地提出,在饋源艙周圍加一圈流體或半流體的“水環(huán)”,流體受到重力影響集中在某一方向,這樣可以有效補(bǔ)償姿態(tài)控制的不足之處,會使饋源艙的角度發(fā)生相應(yīng)變化。不過后來通過與德國科學(xué)家的合作,F(xiàn)AST最終采用了鋼索牽引驅(qū)動的輕量化柔性饋源支撐模式,“水環(huán)”的方案沒有被采納,但南仁東的想象力確實(shí)讓項(xiàng)目組其他成員印象深刻。
與傳統(tǒng)射電望遠(yuǎn)鏡采用獨(dú)立分塊反射面單元技術(shù)不同,F(xiàn)AST主動反射面的主要支撐結(jié)構(gòu)采用了創(chuàng)新性的索網(wǎng)技術(shù),2002年FAST技術(shù)年會上,南仁東第一次正式提出這個概念?!拔覇柲侠蠋?,原來的技術(shù)應(yīng)用很成熟了,為什么要改?他說:‘很簡單,因?yàn)槭″X。反射面放在索網(wǎng)上面,坑的弧度要求就沒那么高了,不然工程耗費(fèi)會非常大?!备屎阒t說。
但索網(wǎng)的制造和安裝難度相當(dāng)大,首先是鋼索結(jié)構(gòu)超高疲勞性能的要求。索構(gòu)建疲勞強(qiáng)度不得低于500MPa,他們從知名企業(yè)購買了十余種性能最好的鋼索結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞試驗(yàn),結(jié)果令人意外的是沒有一家符合FAST的要求。當(dāng)時是2010年,臺址開挖工程已經(jīng)開始,姜鵬告訴本刊,原本臺址挖好時,設(shè)備基礎(chǔ)工程就應(yīng)該同時做完,但鋼索疲勞問題沒有解決,反射面的結(jié)構(gòu)形式就無法確定,設(shè)備基礎(chǔ)工程便無法開展。
“一開始并沒有想到尋找合適的鋼索材料會面臨如此大的困難,”姜鵬說,“當(dāng)時南老壓力太大了,在兩年內(nèi),幾乎總是寢食難安,這是FAST項(xiàng)目遭受到的最大的一次危機(jī)?!痹谙虢鉀Q方案時,南仁東又開始了他天馬行空的想象?!八踔撂岢鲇脧椈勺鳛閺椥孕巫兊妮d體,來解決索疲勞問題,我覺得很不可思議,最后拿出一個終極版的彈簧方案,目的是說服他,如果這個方案不行,其他彈簧方案也不用考慮了。但他這么說,其實(shí)是希望大家都能發(fā)散思維,提出更多的新方案出來。我記得當(dāng)我在黑板上把圖畫完之后,他簡單地問了幾個問題,之后就沉默了許久,我甚至不記得會議是怎么結(jié)束的,只記得當(dāng)時出奇的安靜。當(dāng)我們都離開會議室時,他仍然站在黑板前,背著手看我畫的圖,那時我覺得他有點(diǎn)無助,像個孩子。”
FAST對鋼索結(jié)構(gòu)的性能要求已經(jīng)遠(yuǎn)超國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的規(guī)范,因此沒有任何一家企業(yè)能夠提供相關(guān)產(chǎn)品,南仁東等人只能將方向轉(zhuǎn)向鋼索的研制中。與國家天文臺在FAST工程項(xiàng)目上進(jìn)行合作的科研、工程單位有幾十家,但研究索疲勞問題的卻寥寥無幾。唯一對此做過實(shí)驗(yàn)的是鐵道部科學(xué)研究院,但溝通之后發(fā)現(xiàn)并無可借鑒的經(jīng)驗(yàn),F(xiàn)AST必須從頭開始解決材料的問題?!爱?dāng)時對索疲勞問題有很多不同看法,有人認(rèn)為是摩擦腐蝕的問題,有人認(rèn)為是錨固技術(shù)的問題”,姜鵬回憶說,因?yàn)闊o法確定問題的根源,所以研制工作要在涂層改善、錨固技術(shù)等幾個方向上同時開展,在兩年的時間里,經(jīng)歷了近百次的失敗,幾乎每一次的實(shí)驗(yàn),南仁東都親臨現(xiàn)場,溝通改進(jìn)措施。他們請來上海、南京等地的十幾家單位以及國外索結(jié)構(gòu)的頂級專家一起評審,同時也幸運(yùn)地找到一家既懂技術(shù)、又有經(jīng)驗(yàn),同時愿意配合的廠家,在工藝控制上為FAST提供經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品,最終鋼索結(jié)構(gòu)才終于被研制出來。endprint
1993年,東京召開國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會,籌劃21世紀(jì)初的射電天文學(xué)發(fā)展藍(lán)圖。包括中國在內(nèi)的10國天文學(xué)家分析了射電望遠(yuǎn)鏡綜合性能的發(fā)展趨勢,為觀測不同宇宙距離上的中性氫提出了建造下一代大射電望遠(yuǎn)鏡LT的倡議。這項(xiàng)計劃在1999年改名為SKA,是一個總接收面積1平方公里的射電陣??茖W(xué)家們期望,在電波環(huán)境徹底被破壞之前,可以弄清宇宙結(jié)構(gòu)是如何形成和演化至今的,只有大射電望遠(yuǎn)鏡才能幫助人類實(shí)現(xiàn)這一夢想。如果失去了這個機(jī)會,人類就只能到月球背面去建造同樣口徑的望遠(yuǎn)鏡了。
1994年,當(dāng)時年近50歲的南仁東開始主持國際大射電望遠(yuǎn)鏡計劃的中國推進(jìn)工作。他提出,利用我國貴州省的喀斯特洼地作為望遠(yuǎn)鏡臺址,建設(shè)巨型球面望遠(yuǎn)鏡作為國際一平方公里陣(SKA)的單元。最終這項(xiàng)計劃落戶美國,于是南仁東就提出一個大膽的方案,在中國建造直徑500米、世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡,這項(xiàng)計劃的英文名為Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,英文縮寫為FAST。
當(dāng)時中國最大的射電望遠(yuǎn)鏡口徑只有不到30米,這樣的設(shè)備美國早在100年前就已經(jīng)擁有了,而缺少設(shè)備就很難會有科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機(jī)會,因此中國天文學(xué)界的國際影響力并不高?!?00米口徑在當(dāng)時是一個非常非常超前的想法,南老師能提出這樣的概念,跟他當(dāng)時在國際學(xué)術(shù)交流中的廣闊視野關(guān)系很大?!备屎阒t說。
80年代,北京天文臺派南仁東去荷蘭訪學(xué),在那里,他使用國際甚長基線干涉測量技術(shù)(VLBI)對活動星系核進(jìn)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)十余次觀測,首次在國際上應(yīng)用VLBI“快照”模式,取得了豐富的天體物理成果。他所掌握的VLBI技術(shù)混合成圖達(dá)到了當(dāng)時國際最高動態(tài)范圍水平,建立國內(nèi)相關(guān)圖像處理中心,在80年代使國內(nèi)進(jìn)行VLBI數(shù)據(jù)分析成為可能。隨后,他又到日本做客座教授,幫助VSOP項(xiàng)目解決衛(wèi)星-地球VLBI的成圖難題。
“現(xiàn)在看來,南老師的想法是很有遠(yuǎn)見的?,F(xiàn)在SKA一期工程仍然在建,建成之后和FAST的面積差不多大,之后的二期工程還需要10至20年時間,我們是抓住了這樣的一個窗口期。”張蜀新說。
從提出這一構(gòu)想到2007年正式立項(xiàng),一切都是未知數(shù)。與南仁東共事多年的韓金林向本刊回憶說,90年代是科技人員最為困難的時期。“國家鼓勵科技人才下海,我們是國內(nèi)搞無線電最厲害的一群人,其中有一半人跑去中關(guān)村賣電腦,堅(jiān)守的人工資是每個月100塊,賣電腦每個月1000塊?!痹诋?dāng)時連發(fā)工資都很困難的時期,仍然堅(jiān)持如此宏偉的一個科學(xué)夢想,足見南仁東堅(jiān)定的信念?!?007年立項(xiàng)時,我們團(tuán)組只有7個人。天文學(xué)是一個很小的學(xué)科,也是一個基礎(chǔ)學(xué)科,不可能帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益,想獲得國家的大力支持并不容易。其實(shí)他也很急,但他總是跟我們說,只要把前期預(yù)研工作做充足,總會有機(jī)會?!睆埡Q嗾f。
作為FAST這樣一個涉及領(lǐng)域極寬的大科學(xué)工程的首席科學(xué)家和總工程師,南仁東從天文學(xué)研究變成了懂力學(xué)、機(jī)械、結(jié)構(gòu)、電子學(xué)、測量與控制、巖土等等的“戰(zhàn)術(shù)型老工人”。動工時要建一個水窖,施工方送來了設(shè)計圖紙,他迅速指出了幾處錯誤。現(xiàn)場的六根百米支撐塔分別建好后,他總是第一個爬上去,幾十米高的圈梁建好了,他也是第一個上去,“連螺絲擰得好不好他都十分懂得”。
“他總是無時無刻不在學(xué)習(xí),我們都很佩服他,什么都懂?!睆埡Q嗾f。FAST流傳一個段子,一個來面試的小伙子說自己不會英語,學(xué)的是俄語,于是面試官南仁東就用俄語問他問題,小伙子又說自己會日語,南仁東又接著用日語問他問題?!靶』镒雍荏@訝,我們告訴他,虧得你沒說會西班牙語,老爺子會用西班牙語繼續(xù)問你問題?!?/p>
他是FAST項(xiàng)目組里最忙碌的一個人。FAST工程饋源支撐系統(tǒng)副總工潘高峰告訴本刊,如果出差沒有網(wǎng)絡(luò)的時候,他就會坐立不安,“因?yàn)闆]辦法處理郵件,他每天要處理上百封來自國內(nèi)外的郵件”。在貴州克度鎮(zhèn)大窩凼施工現(xiàn)場,他也總是沖在最前面?!芭_址勘察的時候,他已經(jīng)65歲了,跟年輕人一起在沒有路的大山里攀爬。在去周邊最陡峭的一個山頂時,大家都勸他在山下等著,但他非要跟我們一起去??吹侥侠蠋熯@么大歲數(shù)都要親自上去,搞得幾個設(shè)計院老總也不好意思了,都跟著爬了上去,其中一個院長還穿著西裝皮鞋。”
每一次南仁東到貴州施工現(xiàn)場,都要給工作人員帶去好吃的,有一次帶了很多水果,告訴他的同事,要分一些給一線的施工工人們。他看來工地施工的工人生活非常貧困,就悄悄打電話給現(xiàn)場工程師,了解工人們的身高、腰圍。等他再來貴州時,打開隨身的大箱子,里面都是給工人們買的T恤、休閑褲和鞋子。他跟工人們說,是跟老伴在市場里挑的,很便宜,希望大家不要嫌棄。“他在現(xiàn)場與工人打成一片,很難想象一個大科學(xué)家在簡陋的工棚里與他們家長里短,他記得許多工人的名字,知道他們干哪個工種,知道他們的收入,知道他們家里的瑣事,他對工人的那種尊敬,要不是親眼見過,絕對難以想象?!苯i說。
在距離FAST建成一周年還有10天時,南仁東離開了人世?!澳侠蠋?0多年只做了這一件事?!彼耐潞蛯W(xué)生們都這樣說。在進(jìn)行更多的調(diào)試之后,由南仁東主持建設(shè)的FAST項(xiàng)目,將在中性氫、脈沖星、分子譜線、VLBI和地外智慧文明搜尋等五大科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行探索,從一個天文學(xué)家23年堅(jiān)守的樸素夢想,到成為天文學(xué)界獨(dú)一無二的國之重器,F(xiàn)AST未來將實(shí)現(xiàn)更多的天文學(xué)突破。endprint