大科學(xué)工程是20世紀(jì)以來(lái)世界科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，也是一個(gè)國(guó)家創(chuàng)新力以及核心競(jìng)爭(zhēng)力的主要表征。就當(dāng)今世界科技而言，一個(gè)國(guó)家在關(guān)鍵領(lǐng)域領(lǐng)先一步，哪怕只是一小步，往往都會(huì)造成“勝者全得”或者“強(qiáng)者恒強(qiáng)”的局面。而為實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先一步，大科學(xué)工程當(dāng)之無(wú)愧地成為“國(guó)之重器”。從“兩彈一星”到載人航天，從北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)到大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)，中國(guó)每一次重大科學(xué)突破，幾乎都與大科學(xué)工程聯(lián)系在一起。新中國(guó)成立后，中國(guó)的大科學(xué)工程同時(shí)面向國(guó)家戰(zhàn)略需求和世界科學(xué)前沿，通過(guò)核心技術(shù)突破和資源集成，取得了諸多決定著國(guó)家地位和命運(yùn)的重大成果。歷史和現(xiàn)實(shí)一再見證，搞大科學(xué)工程是中國(guó)科學(xué)技術(shù)跨越式發(fā)展的必由之路，也是我們集中力量辦大事的政治優(yōu)勢(shì)的集中體現(xiàn)。本報(bào)今天開始以新欄目“走近中國(guó)大科學(xué)工程”，引領(lǐng)讀者徜徉最前沿的科學(xué)天地，并深度感知那些和平發(fā)展的中國(guó)故事。

位于貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡全景。

■走近中國(guó)大科學(xué)工程

　　從貴陽(yáng)機(jī)場(chǎng)驅(qū)車向南，經(jīng)高速公路轉(zhuǎn)上土石路，顛簸3個(gè)小時(shí)，穿過(guò)最后一道狹窄山口，500米直徑的白色鋼環(huán)突然出現(xiàn)，填滿了視野。那是史上最大望遠(yuǎn)鏡的圈梁。

　　走上FAST(500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡)的圈梁，像是走在一座鋼橋上。它被50根6米到50米高低不等的鋼柱支在半空，周長(zhǎng)1.6公里，繞走一圈要40分鐘。

　　雞蛋粗細(xì)橡膠表面的索繩，攀附圈梁懸垂交錯(cuò)，總重1300噸，已編織成網(wǎng)，于2月4日完工。下一步，就是拼裝FAST的天線反射面。FAST預(yù)計(jì)2016年成型，中國(guó)的射電天文學(xué)屆時(shí)將領(lǐng)跑世界。

越大越好

　　電視收不到信號(hào)時(shí)，屏幕上不是一片空白，而是雪花閃爍并發(fā)出刺刺聲，這就是來(lái)自太空的射電信號(hào)。1931年，美國(guó)一位電子工程師發(fā)現(xiàn)，銀河中心能傳來(lái)有規(guī)律的電波。這開創(chuàng)了射電天文學(xué)。

　　射電跟光沒(méi)太大區(qū)別，都是電磁波。光只是能刺激眼睛的一小部分電磁波。從伽馬射線到紫外線到可見光再到紅外線和射電，各有監(jiān)測(cè)這些不同波段電磁波的望遠(yuǎn)鏡。“射電”是比紅外線頻率還要低的電磁波段。

　　射電望遠(yuǎn)鏡，跟收衛(wèi)星信號(hào)的天線鍋是一回事。通過(guò)鍋的反射聚焦，把幾平方米到幾千平方米的信號(hào)聚攏到一點(diǎn)上。射電天文學(xué)家是裝備最高級(jí)的無(wú)線電愛好者，他們聆聽的信號(hào)不是人造的，而是“天生”的。

　　為了提高射電望遠(yuǎn)鏡的表現(xiàn)，天文學(xué)家想出一個(gè)辦法，就是讓許多個(gè)天線鍋對(duì)準(zhǔn)同一目標(biāo)，通過(guò)比對(duì)信號(hào)算出更精確的信號(hào)位置。但是想接收更微弱的射電，只有把天線鍋造得更大。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)FAST工程首席科學(xué)家、總工程師南仁東說(shuō)，宇宙空間混雜各種輻射，遙遠(yuǎn)的信號(hào)像雷聲中的蟬鳴，沒(méi)有超級(jí)靈敏的耳朵就分辨不出來(lái)。

　　1993年?yáng)|京召開的國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟大會(huì)上，包括中國(guó)在內(nèi)的10國(guó)天文學(xué)家提出建造新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”。他們期望，在全球電信號(hào)環(huán)境惡化到不可收拾之前，能多收獲一些射電信號(hào)。建造FAST的動(dòng)機(jī)肇始于此。

　　FAST之前，世界上最大的射電天線鍋，一個(gè)是德國(guó)100米直徑的“埃菲爾斯伯格”，一個(gè)是美國(guó)300米直徑的“阿雷西博”。前者是可以移動(dòng)搖頭的，后者借助波多黎各島上的喀斯特洼坑，跟FAST相似。

　　造更大的望遠(yuǎn)鏡非常困難。天線鍋要求毫米級(jí)的精度，在平地上建百米以上的天線鍋，自重就會(huì)造成形變，一陣風(fēng)也會(huì)讓它變形。有天文學(xué)家提出了思路：在喀斯特地形下常見的“天坑”里造。

最圓深坑

　　1994年底，北京天文臺(tái)(現(xiàn)國(guó)家天文臺(tái))牽頭20所院校，提出了“喀斯特工程”。準(zhǔn)備從中國(guó)西南無(wú)數(shù)個(gè)喀斯特地貌的凹坑中，選出一個(gè)來(lái)建大望遠(yuǎn)鏡。

　　看過(guò)遙感圖，大家確定了300個(gè)候選的圓坑，經(jīng)過(guò)走訪又篩選出80個(gè)最圓的。貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村的一個(gè)圓形洼地——大窩凼，成為最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。“凼”，音蕩，水坑的意思。

　　“當(dāng)時(shí)到這里來(lái)勘測(cè)，明顯感覺比其他的凼更圓一點(diǎn)。”南仁東說(shuō)，他下踏了百個(gè)天坑，大窩凼最合適。

　　選一個(gè)形狀最圓、深度和尺寸恰好的洼坑，可以減少“磨圓”所需的土石方工程量。在現(xiàn)場(chǎng)，南仁東指著坑底說(shuō)：“綠色的地面是沒(méi)有開挖過(guò)的，黃色的是動(dòng)過(guò)土的。”我們目測(cè)這兩部分面積是一比一。

　　水在石灰?guī)r上削出幾百米直徑的“凼”。凼的底部都會(huì)有一個(gè)至少浴缸大小的水洼，這是積水向下滲透的地方。天文學(xué)家們考慮到，喀斯特地質(zhì)下，積水可以從坑底滲漏出去，不至于於積和危害天線。不過(guò)FAST的天坑里，還是開掘了一條通到“隔壁”坑里的排水道。

　　指著建在山腰上的六座鋼架(它們將來(lái)要拉吊起信號(hào)接收器)，南仁東說(shuō)，如果不依托天坑，這些鋼架就得從平地而起，不光造價(jià)承擔(dān)不起，也無(wú)法達(dá)到精度要求。

　　在天坑中建筑，很麻煩的一點(diǎn)是空間騰挪不開。為此施工人員想了很多辦法，用人工補(bǔ)機(jī)器的不足，采取一系列新工藝，得以把幾十座鋼梁和幾十段框架，一點(diǎn)點(diǎn)搬運(yùn)到恰當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

毫米精度

　　FAST的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)的信號(hào)，聚集在藥片大小的空間里。不如此，就無(wú)法監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號(hào)。500米的結(jié)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度，是天文學(xué)家從未做過(guò)的。

　　光確保鋼結(jié)構(gòu)不變形就是一大挑戰(zhàn)。熱脹冷縮效應(yīng)無(wú)法忽視。南仁東指著鋼架與邊框相接處說(shuō)，到了夏天，邊框會(huì)比冬天外移30厘米。1.6公里長(zhǎng)的巨大邊框并不固定，而是“擱”在鋼架上，它與鋼架的接觸面是一層平滑材料。這樣即使邊框脹縮，鋼架也不會(huì)歪斜。

　　FAST的天線鍋呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的球形，在工作時(shí)它會(huì)變形，在適當(dāng)?shù)奈恢眯纬梢粋€(gè)300米直徑的拋物面(只有拋物面才能聚焦信號(hào)，球面和拋物面差距最小，可以最方便地在局部形成拋物面)。FAST靠變形來(lái)轉(zhuǎn)換天線方向。

　　就像水手扯動(dòng)纜繩控制帆的朝向一樣，F(xiàn)AST拉扯索網(wǎng)來(lái)變形天線鍋。FAST的鋼索網(wǎng)，聯(lián)系著邊框以及2000多個(gè)天坑地表面上的小電機(jī)。這些電機(jī)配合動(dòng)作，控制著鋼索網(wǎng)的形狀。整個(gè)變形過(guò)程，由激光定位系統(tǒng)校準(zhǔn)。

　　而在索網(wǎng)的上空，高高懸著一個(gè)類似于神舟飛船大小的饋源艙(信號(hào)接收單元)，內(nèi)設(shè)世界最精貴的接收器。這個(gè)接收單元內(nèi)部，也有一個(gè)有六條伸縮腿的變形框架，負(fù)責(zé)把接收器放置在焦點(diǎn)上。30噸重的饋源艙，被六條400多米的鋼索吊起，移動(dòng)范圍達(dá)200米，再求精度，談何容易。

　　框架、索網(wǎng)、接收器，每一部分的位移都要控制在毫米級(jí)，F(xiàn)AST才能正常工作。

　　比起目前領(lǐng)先的“埃菲爾斯伯格”望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST的靈敏度將提高10倍。這意味著，遠(yuǎn)在百億光年外的射電信號(hào)，F(xiàn)AST也有可能聽到。