有人认为FAST是烧钱作假——听蝲蝲蛄叫就不种庄稼了？ | 袁岚峰

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导读


天文专业人士都知道，单口径大望远镜和望远镜阵列是两个不同的发展方向，各有所长。前者是灵敏度高（即可以探测到很弱的信号），后者是分辨率高（即可以分辨出相距很近的两个信号）。如果连这种基本问题都搞不清，FAST怎么可能通过立项呢？

视频链接：

西瓜视频：

https://www.ixigua.com/6885913678374240771

本视频发布于2020年10月21日，一天内播放量已超三百万

最近，不少人转给我一段聊天记录，号称是“科大校友群中学天体物理的老校友对中国投资6.7亿天眼造成浪费的讨论”，并且说“这种浪费及一窝蜂去搞芯片战术不可取……”。这里说的“天眼”，就是位于贵州大窝凼的500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST），世界最大的单口径射电望远镜。
FAST建设之前（左上）与建设之中（下）以及设计简图（右上）。图片来源: Li & Pan (2016)（天眼看宇宙：从脉冲星到外星人 | 赛先生）

这段聊天记录中否定FAST的理由，主要是过去50多年来发展出了新的孔径合成技术（aperture synthesis technique），把若干个小的望远镜组合起来，等效于一个大的望远镜。所以国际上已不再发展FAST这样的大口径望远镜，“但是天眼迎合了一些国人和领导的喜好，在国际上争第一，不管这是什么样的第一”。
他们痛斥FAST是“在设计之初，其设计理念已经落伍”。“烧人民血汗！科研真正有用的成果在哪里？芯片大跃进又来了！无非继续烧钱作假。”“这科学院怎么如此落后愚味？还吹成世界第一，真是地界笑话！”
不少人问我对此怎么看，我基本的回答就是一句话：
听蝲蝲蛄叫就不种庄稼了？
具体一点的解释是：
如果去搜一下反相对论、反量子力学的文章，立刻就可以搜出一大堆。还经常有人说量子通信是假的，潘建伟是骗子。
这种专业问题，你如果想了解，就需要先把自己变成专家。如果不愿意花时间精力去学，或者学不懂，那就或者没有态度，或者直接听专家的。许多人的问题就是，不懂还喜欢瞎掺和。
天文专业人士都知道，单口径大望远镜和望远镜阵列是两个不同的发展方向，各有所长。前者是灵敏度高（即可以探测到很弱的信号），后者是分辨率高（即可以分辨出相距很近的两个信号）。各自有适合的领域，不是有了一个另一个就没用了。实际上，研究者都会尽量将两种方法的观测数据结合起来。
如果连这种基本问题都搞不清，FAST怎么可能通过立项呢？
FAST的设计者和建造者、中国科学院国家天文台研究员南仁东（1945 - 2017）
此外，我的朋友、南非大学非洲可持续发展能源研究所教授刘歆颖指出：
国际上有一个著名的望远镜阵列叫做SKA（即Square Kilometre Array，平方公里射电阵），它正在兴建中，中国也是其中的一个主要参与者。在SKA项目的早期，中国提出了在西南地区建造约三十个直径两百米以上的射电望远镜的方案KARST，FAST最初就是这个KARST阵列的一部分。
在夜间运行的第一阶段SKA。图为SKA反射面天线和低频孔径阵列，背景为MeerKAT和ASKAP反射面天线（https://www.sciping.com/31304.html）
我的同事、科大天文学系教授蔡一夫指出：
FAST刚刚就有两篇Nature文章被接收，即将见刊，还发现了数个新快速射电暴，怎么会有人认为是烧钱作假呢？另外FAST有一个很大的进步，就是因为射电数据一般都是海量的数据，所以他们自己开发了一套快速筛选物理信息的算法。国际上，好像已经有很多研究组在陆续使用这个方法了。
这两位是比较专业的评论，还有不少朋友提供了短评。
例如我的朋友A表示：太不尊重专业人士了，这已经不是文盲领导当政的年代了。
我的朋友B表示：那些微信圈的讨论，造的人还不知道吗？说的好像造FAST的人不知道小望远镜联网似的。
我的朋友C表示：FAST可有用了，替贵州旅游行业创收都不止建造的那点钱了。
我的朋友D表示：相对于北京的房价，FAST是太便宜了，6.7亿一栋楼都买不起。让科学家去探索一下，即使一无所获，又能怎样？
很好，看来大家都很明白道理。然后，我的朋友E提了一个建设性的问题：FAST下一个可期待的发现是什么？有没有内部剧透？
我的回答是：可以参见“风云之声”转的我的两位天文学家朋友的文章，郑征博士的《天眼看宇宙：从脉冲星到外星人 | 赛先生》和刘博洋博士的《“中国天眼”启动地外文明搜索，真的能找到吗？| 天文八卦学》。
稍微具体地介绍一下。FAST的设计工作频率是70至3000 MHz，与收音机及手机信号的频率类似。在这个频段内，FAST是全世界最灵敏的，你在附近打个手机都会造成严重的干扰。所以FAST周围5公里内被设置为无线电静默区，去参观的人都必须先把手机、电脑、数码相机等电子设备寄存了，不许带进去。甚至连景区旅游车的启动打火，都做了屏蔽处理。
我2016年应中央网信办和贵州省之邀参观了FAST，发现贵州省给它起了个很文艺的名字，叫做“静旅游”。当时印象很深的就是进入景区之前先存设备，当天晚上在星空下搭帐篷露营。大家没有手机都怅然若失，担心怎么跟家里联系。组织者表示：你们可以用旁边的电话。这时我才发现，许多人忘记了有一样东西叫做“固定电话”！
当时还有很多媒体记者跟我们同行，写了很多报道。不过记者对科学所知有限，写不了FAST能干啥，只是发了一大堆文艺的感慨，例如：在这样的“静”环境中，“抛弃了俗世纷扰，更能让人面对自己的心灵，思考人生”（http://news.sina.com.cn/o/2016-11-07/doc-ifxxmyuk6173099.shtml）。
FAST夜景（http://news.sina.com.cn/o/2016-11-07/doc-ifxxmyuk6173099.shtml）
好吧，思考完了人生之后，你肯定还想问：FAST到底能干啥？
基本的回答是：FAST科学委员会已经遴选并启动了五项优先和重大项目，并将50%的观测时间用于这些项目。这五个大项目是：
（1）多科学目标漂移扫描同时巡天；（2）银道面脉冲星巡天；（3）脉冲星测时；（4）M31中性氢成像和脉冲星搜寻；（5）快速射电暴。
再简化一下，前四个是脉冲星和中性氢，最后一个是快速射电暴。
先来说脉冲星（Pulsar）。它是一种以很精确的周期发出脉冲电磁信号的天体，精确到可以作为时钟。一般认为脉冲星就是中子星，即完全由中子组成的星球，周期性信号是由中子星的快速旋转造成的。
2017年8月22日，FAST还在调试期间，就发现了一颗脉冲星。目前FAST已经探测到了100多颗新的脉冲星，在整个巡天中预期会发现上千颗脉冲星。
FAST发现的第一颗脉冲星艺术想象图（上图）和第一颗毫秒脉冲星（下图，其脉冲周期约为5.19毫秒），图片来源：王培（天眼看宇宙：从脉冲星到外星人 | 赛先生）
第二个是中性氢，也就是氢原子，即一个质子加一个电子，最简单的原子。这个最简单的原子之所以重要，是因为它是宇宙中最常见的原子，星系内气体和恒星的主要材料都是氢原子。
M31是距离银河系最近的大型旋涡星系。上图为M31的光学波段照片；下图为用26米的射电望远镜拍摄的M31中性氢21厘米线图像（左下），以及用21厘米线测得的M31不同部分的速度（右下）。光学图片来自Toren Hansen (wikipedia)，中性氢图片来自Chemin, Carignan & Foster（2009）
（天眼看宇宙：从脉冲星到外星人 | 赛先生）
FAST之前最大的射电望远镜，是位于波多黎各的阿雷西博望远镜（Arecibo Radio Telescope）。FAST的口径是500米，阿雷西博望远镜的口径是305米。
阿雷西博望远镜（图片版权：阿雷西博天文台 H. Schweikerm）（“中国天眼”启动地外文明搜索，真的能找到吗？| 天文八卦学）
阿雷西博望远镜曾经做过中性氢巡天，大约扫过了天空的1/6，探测到了3万多个河外星系。这是迄今最深的大面积河外中性氢巡天。现在FAST的漂移扫描巡天打算全面超越它，将覆盖超过1/2的整个天空，预期看到几十万个河外星系。
阿雷西博望远镜获得的银河系氢原子气体分布图像（三张局部拼接，来自GALFA-HI巡天）（“中国天眼”启动地外文明搜索，真的能找到吗？| 天文八卦学）
不但如此，FAST还打算同时搜寻中性氢和脉冲星的信号，以前这两种巡天都是分开进行的。这就是前面提到的第一个项目，FAST多科学目标同时巡天（Commensal Radio Astronomy FAST Survey），英文简称CRAFTS。这种新技术将大大加快巡天的速度。
 CRAFTS计划（crafts.bao.ac.cn；Li et al. 2018）（天眼看宇宙：从脉冲星到外星人 | 赛先生）
最后一个是快速射电暴（英文Fast Radio Bursts，简称FRB）。它是一种非常强大的射电爆发，在几毫秒至几十毫秒内就能释放出太阳在一整天内释放的能量。这种现象最初是2007年发现的，目前我们还不知道它的物理来源。2018年11月，FAST发现了第一个新的快速射电暴FRB181123（天眼看宇宙：从脉冲星到外星人 | 赛先生）。后续更多的观测，可能会为我们揭示出谜底。
让快速射电暴在公众当中名声大噪的，是2019年1月初，“加拿大氢强度测绘实验”射电望远镜（CHIME）报道了在两个月内探测到的13次FRB事件，其中有一个FRB信号重复出现了6次之多（外星人来了？就好比半夜听到动静，非说“不排除是闹鬼” | 中国日报）。
13个快速射电暴的动画示意图（动图）
许多媒体说，这是外星人的信号。

 英国《卫报》的标题：来自宇宙深处神秘的快速射电暴“可能是外星人”
于是这则消息一下子刷爆了朋友圈，许多人惊呼：“不要回答！不要回答！！不要回答！！！”
 不要回答！
我在当时接受《中国日报》（China Daily）的采访时（外星人来了？就好比半夜听到动静，非说“不排除是闹鬼” | 中国日报），就指出：刷“不要回答”的朋友们可以理解，不过即使你想回答，现在也完全没有技术手段啊。
具体到FAST而言，它是一个接收装置，而不是发射装置。即使你想像叶文洁一样向地球外发射信号，你也发不出去。
叶文洁与红岸基地
这就引出了我们要讨论的最后一个问题：听说FAST开启了对外星文明的探测，这是真的吗？
回答是：真的。FAST的主管单位是中国科学院国家天文台，2020年4月28日，他们的网站报道了“FAST开启地外文明搜索”的消息（http://www.nao.cas.cn/xwzx/kydt/202004/t20200428_5565266.html）。
 FAST开启地外文明搜索
具体地说，地外文明搜索（Search for ExtraTerrestrial Intelligence，简称SETI）是FAST的五大科学目标之一。越来越多的地外行星的发现，加上仪器和观测能力的革命性进步，引领了SETI研究的复兴。由于FAST在某些频段有最高的灵敏度，它必然会成为SETI的主力军。
当前各主要参与SETI研究的望远镜在相同观测参数下的灵敏度对比（来自Margot等人所撰写的“天文2020”建议书）（“中国天眼”启动地外文明搜索，真的能找到吗？| 天文八卦学）
FAST团组在2020年4月27日，发表了对SETI巡天的量化展望。基于对超级地球GJ 273 b的试观测和对地外文明各向同性等效功率（EIRP）的测算，FAST有潜力探测到类地地外行星巡天卫星（TESS）将公布的数千颗地外行星上的类地文明，以及近邻星系仙女星系（M31-Andromeda）中的第二类卡尔达肖夫（Kardashev type II）或更先进的文明。
对SETI巡天的量化展望（http://www.nao.cas.cn/xwzx/kydt/202004/t20200428_5565266.html）
这里提到的第二类卡尔达肖夫文明，可以参见我2015年的文章《中国科技实力正以多快的加速度逼近美国》（中国科技实力正以多快的加速度逼近美国 | 袁岚峰），那里的音译是“卡达谢夫”。第二类卡尔达肖夫文明的意思是：能够用整个恒星的能量向外传输信息的文明。
 卡达谢夫标度
如果你听不懂上面这一大堆术语，没关系，基本点就是一句：FAST有希望发现外星文明！
不过，宇宙如此广阔，智慧文明可能发射的信号种类不计其数，而我们只是在某些电磁波段守株待兔而已，甚至连人家发的是不是电磁波都不知道（接收不到外星文明信息，是因为数学体系不一样？| 环球科学）。因此我们能说的只是，FAST在现有的SETI探测仪器中是主力。
这绝不意味着FAST找到外星人的希望很大，更不意味着已经找到了外星人。所以，我们最好的态度就是平常心，以科学进步为目的，而不是以一定要找到什么为目的。
说到底，好奇心才是科学最根本的推动力。像FAST和不久前发射的火星探测器、稍后将要发射的嫦娥五号这样的“天问”，将带领我们超越自我。扩展阅读：《天眼看宇宙：从脉冲星到外星人 | 赛先生》《“中国天眼”启动地外文明搜索，真的能找到吗？| 天文八卦学》《外星人来了？就好比半夜听到动静，非说“不排除是闹鬼” | 中国日报》《中国科技实力正以多快的加速度逼近美国 | 袁岚峰》《接收不到外星文明信息，是因为数学体系不一样？| 环球科学》

背景简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。文章2020年10月19日发表于新京报（https://m.bjnews.com.cn/detail/160307162915526.html）。

责任编辑：孙远