西湖大学湖心讲堂2021春季公开课实录：睁眼看宇宙

当你抬头望天时，是否好奇过云层和星辰之外有什么？是否曾向往一场穿梭浩瀚宇宙的探索之旅？

4月24日，西湖大学湖心讲堂公开课如期而至，“中国天眼”FAST首席科学家李菂和慧眼-HXMT天文卫星首席科学家张双南到场，通过 “天眼”与“慧眼”，我们看到了地球之外的世界，让我们一起跟随两位天文学家，穿越茫茫星海，摘取宇宙的秘密。

PART/01李菂

一、告诉你“天眼”最真实的样子

什么是天眼？

我们所熟知的“天眼”英文名称为Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope，简称FAST。从2011年到2016年，耗时5年半的时间才完成。它的观测能力是美国阿雷西博300米望远镜的2到3倍。

从外观上看，FAST这个500米口径球面射电望远镜像一口“大锅”，由6座支撑塔支撑起来。这个复杂的大型科学装置的表面像是一个网兜，由4000多个11米的三角形组成，每一面相当于是一个天线，用金属圆盘连接起来，底下安装一个上下移动的触动器，只要拉动不到一米的控制层，就可以从球面变成抛物面，这在几何概念上非常简单，但是要实时控制和测量难度非常大。

什么是射电望远镜？

天眼是一台500米口径球面射电望远镜，射电望远镜实际是弹射电磁场望远镜的一种，它跟光学望远镜有一个核心的差别，在于接受的波长不同。

光学望远镜采集的是可见光；射电望远镜更像是一个收音机或是一个雷达，它采集的是无线电波，这类波长的电磁波不会被天气所影响，因此，相比光学望远镜，射电望远镜可以帮助我们看到更加丰富的信息。

天眼的诞生和建设

90年代中期，全世界的科学家都在讨论下一代的望远镜，老一辈的中国天文学家在看到阿雷西博望远镜之后，提出要用主动反射面的光学技术，修更大的望远镜。

2008年李菂开始参与FAST立项建议书的编制， 2012年全职回到中国科学院国家天文台来参与FAST的建设，开始推动一套新的接收设备，就是所谓的超宽带接收机。李菂回忆说：“尽管工程项目跟平时的研究有很大的差别，但是也有很多的乐趣，比如现场有蛇出现的时候，基本上都被抓起来吃掉了。”

2015年，李菂担任FAST副总工程师。根据李菂介绍，工程师有工程师的乐趣，他们搬砖、种树，熔接光纤，那时第一代的超算就放在铁皮箱子还有漏风的房子里头，6年多的时间里，大家都住在没有室内热水和自带厕所的板房。

2016年9月19日，FAST测量到贝尔先生发现的第一颗脉冲星信号，信噪比是5000多，“（其实）没有什么科学意义，但是对于一线的建设者和使用者而言，好像看见自己的孩子出生一样，这是一生当中很激动的时刻。”回想起当时的那一幕，李菂依旧记忆犹新。

二、通过“天眼”我们看到了什么？脉冲星和快速射电暴

脉冲星，就是拥有强磁场的正在快速自转的中子星。2017年，FAST发现了第一颗脉冲星，它来自1.6万光年，每个脉冲是1.8秒，从此，开启了中国射电波段设备新发现的时代；2018年，FAST找到了第一个毫秒脉冲星，周期为5.19毫秒；2018-2019年， FAST巡天技术不断改进，可以同时记录原子氢气和脉冲星数据。

从2018年开始，FAST逐渐成为未来十年脉冲星发现的主要设备，目前FAST已经发现了和印证100多颗脉冲星，同样，也催生出许多有特殊科学意义的发现：例如FAST认证的第一个双子星系统，这是1974年泰勒和赫尔斯发现用来间接验证引力波存在随后获得诺贝尔奖的那一类系统。

除了脉冲星，FAST还有一个全新的领域——快速射电暴。这是宇宙中出现的短暂而强烈的无线电爆发，持续大概千分之一秒，可以等同于一年的太阳能，这样的信号拿家里的电视天线就可以看到。

2020年《自然》杂志的十大科学发现之一就是首次确定了快速射电暴在银河系内的起源，而这一发现是基于FAST和其他多台望远镜的观测一起获得的。

2019年8月到10月份，FAST总共抓到来自同一快速射电暴源的1600多次爆发。李菂介绍说，这个爆发的总量超过了世界上所有望远镜发表和探测总量的总和，从而可以进一步做更加深入的天体物理研究。

PART/02张双南

一、引力波预言与中国“慧眼”的诞生

根据爱因斯坦在广义相对论中提出的理论，地球绕太阳旋转不是因为万有引力,而是因为太阳的大质量导致自身周围的空间弯曲。如果有两个天体都使得它周围的空间弯曲，那么这两个天体相互绕转的时候，这个弯曲的空间就向外传递，这就是“引力波”。所以，爱因斯坦在1915年提出广义相对论，1916年就提出引力波的存在，而在当时，爱因斯坦也做了一个预言，“人类永远也不可能探测到引力波”。

为什么爱因斯坦认为探测不到呢？原因是需要测量的精度实在是太高了。作为一名杰出的物理学家，爱因斯坦无论如何也想象不到人类有这么精密的仪器，但是有人做到了。

2016年2月11日，激光干涉引力波天文台（LIGO）发言人宣布爱因斯坦100年前预言的引力波被人类听到了，举世瞩目。直到2017年8月14日，LIGO天文台共听到了5例引力波的信号。

当这“美妙的声音”被听见的那一刻，全世界的天文学家都试着在寻找那里有没有光，都想看看引力波发生的地方到底发生了什么，但是一直什么都没有看到。

在LIGO听到引力波信号之前，我们从来没有听到过宇宙的声音，但当我们听到引力波信号以后，又看不到信号来自哪里。“难道天文学家甘心做既聋又瞎的天文学家吗？”张双南反问道。

2017年10月16日，天文学家终于看到了在引力波爆发时发生了什么，张双南表示：“从此人类终于耳聪目明了，人类不单听到天体结合发出的美妙的歌声，而且看到他们相爱迸发产生的焰火”。这个“焰火”就是两个中子星撞在一起产生的引力波。

观看了“焰火”的设备之一就是中国的“慧眼”卫星。

为什么被叫做“慧眼”？张双南在在高能物理所读研究生的时有两位老师，一位是李惕碚院士，另外一个是何泽慧先生，她为我们国家的核物理和原子弹作出了重要贡献。2011年这个卫星正式立项，同一年何泽慧先生去世。将卫星取名为慧眼，张双南他们是希望指导老师的眼睛，能够在太空中带领他们看宇宙。

二、借助“慧眼”我们看到了什么？

引力波观测、宇宙最强的磁场、高速相对论喷流……慧眼卫星自上天起来，就观测到了许多之前从未被发现的美妙景象。

除此之外，慧眼卫星还可以利用探测X射线来进行星际导航。

当探火卫星、探月卫星、慧眼卫星这些卫星发射时，就是利用射电望远镜、射电天线来测量卫星的位置。但一旦离开地球非常远，进行星际旅行时，谁来告诉我们在哪里？

利用脉冲星。脉冲星转得很快而且转得很稳，通过测量脉冲星的信号到达我们的时间，就可以推算出来我们在宇宙当中的位置以及运动的速度。

由于X射线探测器测量的时间精度比较高，而且探测器可以做得比较小，通常会利用X射线实现脉冲导航。慧眼卫星通过测量中子星（中子星不仅仅产生射电信号，同时产生X射线信号）的信号，实现了脉冲星导航，如果把慧眼卫星释放到宇宙当中去，它自己能够确定它在什么位置。

2020年《自然》和《科学》十大科学发现之一是发现快速射电暴来自中子星，众多发现的望远镜除了天眼，慧眼卫星也在其列。

与天眼不同，慧眼观测到的是快速射电暴产生的时候中子星发出的X射线暴发信号。张双南为我们讲述了快速射电暴产生时的一件趣事：

当时，我们的慧眼卫星正在看一颗中子星，因为这个中子星在之前的一两天表现出了一个很奇怪的行为，我以前的一位学生（现在北京师范大学的林琳老师）想用慧眼卫星观测这个中子星，但是慧眼卫星的观测时间非常宝贵，如果把研制、建造和发射的费用折算成观测时间，价格不菲。所以那天我在办公室来回走了一个小时，最后下定决心连续看两天，这是我授权启动的最长的连续机遇观测。我们运气非常好，在启动观测中子星之后不到10个小时，快速射电暴就发生了。

同时，张双南团队不仅看到了大的X射线暴发，更重要的是，在X射线暴发的时候找到了两个窄的脉冲，这两个脉冲对应射电的两个脉冲，由此证明了快速射电暴的暴发和X射线的暴发是同一次事件，而且慧眼卫星也以比发现该快速射电暴的射电望远镜高得多的精度定位了该暴发只能来自于这个中子星。

PART/03为什么要仰望星空？

今年，上海交通大学携手《科学》杂志发布“新125个科学问题”，其中天文学领域共是23个问题，占比最高；

从2017年到2020年，天文学研究在过去的4年里三次获得诺贝尔物理学奖，这在很多学科领域都十分罕见；

作为最古老的科学之一，天文学为何一直充满生命力？为什么有如此多的科学家前赴后继去研究探索？也有很多人会问，科学家们研究的引力波、黑洞、中子星、暗物质，有什么用，跟我们有什么关系？

仰望星空有什么用，在湖心讲堂春季公开课的现场，三位老师给出了他们自己的答案。

李菂：天文学是跨越尺度和跨越时间的科学

2020年12月1日，美国国家科学基金会公布，阿雷西博天文台的巨型射电望远镜平台坍塌了。就此，我写了一小段英文，大概的意思是;

阿雷西博望远镜是人类科学和工程的奇迹，每次见到它，我都感到惊心动魄。我的学术生涯的早期，以及后来能够有机会给FAST工作，很大程度得益于这样的设备，作为一个硬核的射电天文学者，我写下这些话作为一个纪念，同时也是一个宣言和承诺：我们不会停止探索。

南仁东老师经常跟我们说的一句话，中国天眼是中国天文从追赶到超越的一次尝试，这个尝试现在刚刚开始。

张双南：天文学家就是做杞人忧天的事情

有一个故事，大家非常熟悉，叫杞人忧天。“杞人有忧天地崩坠，身亡所寄，废寝食者。”我们中国人用杞人忧天来描述那些不实际，不着边际，没有任何应用性质的一些事情，这是我跟李菂教授所做的事情，也是施一公教授做的事情，当然一公也做一些有应用性质的研究。

仰望星空在中国就是杞人忧天，但是我们天文学家就是做杞人忧天的事情。

西方人“杞人忧天”产生了什么样的结果？亚里士多德的地心说，托勒密的地心+本轮说，哥白尼的日心说，关心的都是天体为什么这么运动；开普勒三定律描述了天体如何运动；伽利略发明了天文望远镜，想要把这些天体以及它们的运动用望远镜看清楚。古往今来，天文学家一直在仰望星空，一直想回答杞人忧天的问题。最终到了牛顿发现了万有引力，回答了为什么这些天体不会掉下来，打开了现代科学的大门；现代科学没有止步，爱因斯坦继续发问，为什么有的天体运动符合牛顿的定律，为什么有的天体运动不符合，于是有了广义相对论……

回国之前我在大学教课，翻开教科书发现里面的重要科学发现，很少是中国人做出来的，在中国本土做出来的就更少了。我说我不服，我要回到中国去，教导培养年轻人，让下一代改变这个局面，我相信西湖大学的使命也是一样的。

施一公：科学发现的过程，我们都是局中人

我很小的时候，我就对宇宙天体感兴趣，小时候不高兴的时候，想想宇宙之广袤，各种烦恼就迎刃而解了。后来学习生命科学，发现这两门学科有特别相似的地方，第一个相似之处是这两门学科在我们人类未知当中都占了很大的比重；第二个是，严格意义上讲，这两个学科都没有自己的手段，也没有自己的方法。这两门学科都是很大的研究领域，允许各种手段和方法在其中发挥作用。无论是引力波检测，还是通过各种宇宙射线的检测来发现天文学现象和规律，都是一些数学、物理、甚至工程方法的集成体现。

为什么做天文学？为什么要杞人忧天？为什么做没有用的东西？

人类为了生存，最开始是吃喝睡觉繁衍传承，在解决温饱之后，要让人类文明传承下去。解决了温饱的人开始思考：人从哪儿来？到哪儿去？地球会不会消亡？其它星球有无类人智慧生命？时间是怎么回事？信息怎么存储？有无穷无尽的问题。

对于许许多多的重大科学发现而言，常常是在实验过程中出现一些意外，顺藤摸瓜从而发现一些巨大的未知，这个过程就是人类发现的过程。我们每个人在这个过程当中，都要想象一下。科学发现的过程，我们都是局中人。

不久前，在文昌发射基地，天和核心舱成功发射，这是我国航天事业取得的又一巨大进步，在睁眼看宇宙的征程中，在探索未知科学世界的过程中，中国人一步一个脚印向向往数千年的星空迈进。

为什么要仰望星空？有人曾说过，“脚步到达不了的地方，眼睛可以到达。眼睛到达不了的地方，心灵可以到达。”