2024-05-20 08:31
5月17日，由搜狐主办的2024搜狐科技年度论坛在北京盛大开幕。多位院士、科学家与产业界人士齐聚一堂，激发智慧的深度碰撞，奔赴科技的星辰大海。
本届论坛线上线下结合，开启全天的思想盛宴。在下午的现场环节，国家天文台研究员、中国天眼FAST首席科学家李菂发表了《斯普尼克、中国天眼和宇宙触角：冷战与宇宙探索》的演讲。
李菂提到，中国天眼从2020年正式运行以后，向全世界的科学家开放，是全人类共享的科学装置。2020年到现在四年多的时间，有着来自三十个国家的超过四百个项目，有些已经运行完成，有些正在运行，催生了几百篇学术论文，其中包括一系列重要发现，包括九篇《Nature》、两篇《Science》，精确测量星际磁场，测量最大尺度的星际间原子氢气结构和一系列快速射电爆和脉冲星的发现。
李菂还向大家解释了“宇宙触角”的概念，即通过数字化向场信息，超越传统望远镜聚焦技术，提高对射电爆等宇宙现象的探测效率。 李菂展望到：“我们争取在五到十年实现下一代，达到现在世界前沿的20-30倍，就是再往前走一个时代。当然要依托技术，计算量和AI的整体进步，但这个概念还是存在很大的可行性。”
最后，李菂强调，“从“中国天眼”到“宇宙触角”，要有更高的发现率，计算是在聚焦，但底层的逻辑都是用技术创新带来对宇宙新的发现，然后要对其进行系统的思考和融合，看一看我们是不是能够找到宇宙运行新的基础原理。”
中国天眼从2020年正式运行以后，我们向全世界的科学家开放，也向中国的中学生和小学生尝试开放，所以是全人类共享的科学装置。跟前身美国阿雷西博望远镜长得非常像，但不用挖坑了，大量节约了造价。阿雷西博望远镜相对我们来说确实是遥遥领先，1963年11月就落成了，有着一系列重大发现。大家比较熟悉的是，它是真正找到了人类知道的太阳系以外的第一例行星系统，所以是非常重要的结果，也有双中子星的发现，提供了我们真正验证广义相对波的存在，1993年就有获得诺贝尔物理学奖。很不幸，这个设备2020年12月倒塌了，所以现在“天眼”的概念不仅是领先的，而且是唯一的。
“天眼”概念的提出有着相当的偶然性，1958年5月康奈尔大学工程教授系里的学术讨论Colloquium提出来的，我还见过很多次，他是美国二战海军的老兵，拿了奖学金在康奈尔大学念书。他不是研究天文的，而是用雷达研究等离子层的，所以提出的是一个雷达的概念，而且这个概念当时计算错了，所以要300米的天线米的天线。真个这段历史最让我错愕的就是后来做的很多项目，最厉害的在于他5月才在系里提出，1958年底不到一年的时间就拿到了经费，而且是从国家拿到的。明知道自己可能做一个小规模的事情就可以完成科学目标，当时美国的资助机构希望他能够做更加前瞻性、革命性、高风险高回报的投入。
放到当时的历史背景，我们才更容易理解。1958年是什么样的时间呢?正值冷战的巅峰，人类伟大的美苏航天竞争的开始，就是1957年10月4日的斯普尼克卫星，展示的不光是科学技术的进步，还是国力的消涨以及大家对制度的信心。美国的海军一个半月以后就尝试火箭的发射，而且他们很有信心，搞了一个全国的电视直播，火箭就炸在了发射台上，造成当天美国股票市场的崩塌和关门，因为不是一个简单的科技发展事件。
幸运的是，当时美国的陆军和私立的大学、顶尖的科学家、工程师有密切的合作，这就是加州理工学院喷气推进实验室。图中的照片其实挺有意思，就是钱学森先生创立了喷气推进实验室，冯卡门是他的博士导师，普拉特是冯卡门的博士导师，所以这张照片是二战以后钱先生和他的导师一起对自己导师的导师进行政治审核，在科学家、工程师和国家战略需求的推动下，几个月后的1958年初，喷气推进实验室就发射了美国的第一颗人造卫星。
这样一个实验的成功直接推动了美国航空航天局NASA的成立，使得当时成立的另外一个先进研究组织ARPA失去管理空间计划的任务，所以决定把他们的精力和经费投向地面的探索性前瞻性项目，他们投资的第一个项目就是美国的阿雷西博望远镜。ARPA后来转向国防部就变成了DARPA，大家可以去搜狐科技上去查，这是一个很有历史地位的组织。
这个过程是反映了当时冷战的战略，1958年前的十二年，美国驻欧洲的外交官乔治凯南有过一个著名的Long Telegram，一封电报几千个字，其中说为了赢得冷战必须规划和展现远比过去更为正面和有建设性的世界蓝图，阿雷西博望远镜是这个世界蓝图的一部分，科学是有更长的时标，但并不能够脱离现在世界的争端和诉求。
到了1996年，阿雷西博望远镜已经好几十年了，产生过诺贝尔奖的成果，也是非常成功。我在中国科学院国家天文台的前辈，包括邱义海先生第一次到阿雷西博望远镜访问，提出的概念就是建设二十个像阿雷西博这样巨型的天线。到了今天，其中只有一个活了下来，就是中国“天眼”。我是2012年从康奈尔大学毕业，也在阿雷西博做了一些工作，后来全职回到国家天文台参与这个项目的建设。
我们是一个射频波段，就是人类通讯波段的天线接收机，针对的是整个宇宙物质的发展。现在宇宙学其实是非常简单直白的，最开始大爆炸，到处都是光，随着膨胀能量密度的下降，光变成物质，然后在原子层面最简单的就是原子氢，随着继续膨胀和整个宇宙的动力学相互作用，形成第一代的恒星、黑洞、星系，一直到现在我们看到丰富多彩、各种各样的宇宙。恒星其中的一类，特别是大质量恒星通过超爆炸会变成中子星，中子星会辐射非常强的射电脉冲，正好落在“天眼”的频段。
人是站在地球往天空看，来自宇宙的电磁场辐射要穿过大气层，能够看到有些窗口，非常窄的一小条彩虹就是我们眼睛能看到的可见光，所以天文中绝对的主流从伽利略的第一台望远镜开始就是光学，眼睛能够看到的，不管是太阳光还是光学望远镜。一旦技术手段跟上以后，在非常长的波段，也就是我们的通讯频段是有一个非常宽的窗口，大概跨越四个数量级的波长，脉冲星、原子氢气的信号都落在这个频段。
这些就是中国“天眼”针对的首要的、核心的科学目标，特别是我一再提到的宇宙物质最主要的成分就是原子氢气，大质量恒星死亡的产物就是中子脉冲星。而在中国“天眼”以前，所有大型望远镜，包括阿雷西博、绿岸望远镜都会进行所谓的“巡天”，有了一个新的设备，要把能够看得到的地方全部扫一遍，就像发现了一个新大陆要看有什么昆虫、有什么物种。
以前都是把原子氢气的巡视和中子星的巡视分开进行，而我们在五五无线电的射频波段是对这个场进行数字采样，手机也是这个原理，雷达也是这个原理，所以我们一次采样完整保留场的信息，无线电场也是光，光有波粒二象性，我们就利用这种波动性，因此从物理原理上是完全可以一次扫描、一次“巡天”、不同处理，同时完成这些科学目标。我们依托中国“天眼”建设世界首创的同时巡天的模式，倍增“巡天”的效率。
2017年调试期间，我们就公布了中国“天眼”第一个科学发现，所以大家看到的是来自“天眼”的真实脉冲，每个脉冲持续的时间是1.83秒，探测到距离中国2万光年的中子星，所以10月10日也被称为中国原创自主建设在这个频段的天文大科学装置，属于系统发现的一个新的时代的开始。到了现在大家经常能够听到，发现了超过800颗新的脉冲中子星，2020年以后远远超过世界上其它的单体设备。
我们找到大质量恒星死亡的产物，也有精确测量星空的磁场，发现原子氢气，同时也注意到一类非常奇特的现象，长的跟脉冲星的脉冲非常像，但蕴含的能量要高得多得多，大概会高十到二十个数量级，所以这就是我们看到的线年澳大利亚的科学家首次探测到的。我们无线电的波段很难确定距离，所以整个领域从2007年第一次发表以后就一直受到怀疑，重要的里程碑是2017年，就是首次确认这样一类所谓的快速射电爆，来自于一个确定的银河系以外的天体，这个例证是平均属的矮星系。
有了这样的定位才能用其它的手段，比如光学频谱手段确定距离，把地面上收到的流量乘上距离的平方变成本身的能量，对应的能量是非常恐怖的。大概1/1000秒的时标蕴含的能量可以驱动现在人类社会一万亿年以上，我们现在完全不知道它的天文起源，也不知道它的物理机制，整个射电爆的领域特别是2017年的定位和本真能量确定为自从LIGO引力波以来天文学最重要的发现。
“天眼”2020年正式转入运行，所以我们进入这个Game是比较晚的，虽然是一个比较新的领域。2019年，我们注意到在所谓多目标同时“巡天”的Craft，属于一个手工艺品，发现了这样一个新的星号，十九个向源在大型望远镜已经算是多的了，但和光学望远镜没法比，随便拿个手机都是上亿的像素，我们只有19个像素。飘移过同一个方向，但是不同时间，有着一致性非常好的信号，这就是一个新的、重复的电报，每闪一下都会蕴含一个月甚至一年的太阳能，可能驱动人类社会一万亿年的能量。这样新的发现又催生了一系列数十种新的模型以及之后监测的研究，包括磁场反转等等新的现象，入选2022年度中国科学院十大进展。
我们2019年发现以后，“天眼”显然展示出了自己对这个领域最重要的贡献方向，就是深度监测。整个市场是比较窄的，但深度非常深，监测这些可能重复爆发的信号。2019年底，我们非常幸运地捕捉到人类知道的第一个重复快速预报射电源121102，现在天文学家的命名比较没有想象力，后面跟着一串电线就是第一次出现在人类数据中2012年11月2日，我们再次探测的时候已经到了2019年，五十天的时间内就捕捉到了1652次脉冲，每一次脉冲都相当于太阳一整年或者很多天的能量。
数量是非常大的，大是什么含义呢?我们文章以前这个领域十四年，因为是2007年开始，所有出版信号的总和也不过千，所以就把整个领域物理细节的研究推进到了一个具有相对高的统计性的时代。但这只是“天眼”的几个方向，我们是开放的设备，2020年到现在四年多的时间，有着来自三十个国家的超过四百个项目，有些已经运行完成，有些正在运行，催生了几百篇学术论文，其中包括一系列重要发现，包括九篇《Nature》、两篇《Science》，精确测量星际磁场，测量最大尺度的星际间原子氢气结构和一系列快速射电爆和脉冲星的发现。
天文是完全实验驱动的领域，IAU大会每三年举行一次，2012年在北京举行，时任国家副主席的习主席在大会上有一个代表主办国的讲话，就是天文学是一门观测的科学，我们大多数时间都在看，想办法看得更深、更远、更惊喜。“天眼”是在精细方面绝对领先的，相对于现在这个领域的另外一台设备，“天眼”的深度大概是20倍。但镜头越大，视场就越窄，发现效率只有加拿大那台设备的1%。这样就限制了我们新的发现，我们能够跟进别人的发现，做得非常深。
向场的限制是受光波动性量子效应的影响，1609年伽利略的望远镜开始到天眼，还有詹姆斯韦伯，核心功能是把来自太空的光聚焦。为什么要聚焦?因为宇宙太大，天文源都特别远，放了源以后到达地面的都是平行光，可以用几何的抛物面或者多次反射折射的方式把能量汇聚起来，提高相对的灵敏度。
聚焦是一个什么过程呢?其实是用模拟的办法做量子计算的过程，利用光的量子性和波动性，这样有一定的几何形状，光路满足一定条件就可以完成放大，计算效率是非常高的，所有的望远镜四百年来就是这么干的，但同时损失信息了。因为光是平行光，不光是打到口径里面，还是落到大半个地球，都可以看到。如果有办法完整地采集向场的信息，就不需要拿镜子聚焦，计算就可以了，不需要用一个镜面聚焦，只靠计算机计算就可以了。
这些就是我们现在提出的“Cosmic Antenna”，长在蚂蚁脑袋上就是触角，放在地上就是天线，这是宇宙触角下一代要实现的概念，但不一定要长成这个样子。可能依然是望远镜，全部计算出来的话计算量是非常大的。因为我们在G赫兹频段，1秒钟的基础量是10亿个数，由于要把向场布满，需要成千上万的向场单元，然后还要进行相关计算，就是一对一对地算，如果有N个天线，变成一百个基础量，所以这就是为什么这个概念早就有，但以前大家想了五秒钟就放弃了，现在就试图实现这个概念，完整地感知向场全部的数字化。
我们想要达到的效果是希望在今年年底能够实现对射电爆和宇宙展现爆炸现象的探测率达到天眼的20-30倍，这样还是比全世界最领先的要差50%的样子，但我们争取在五到十年实现下一代，达到现在世界前沿的20-30倍，就是再往前走一个时代。当然要依托技术，计算量和AI的整体进步，但这个概念还是存在很大的可行性。
最近我们总是在研究“天眼”所受的光衍射极限的限制，经常会涉及到光的能量，回过头来看物理学的发展史才意识到天文对基础物理有一个非常重要的结合推动，就是二十世纪初。二十世纪末的时候，物理学有两朵乌云，就是怎么解释黑体辐射，天文学“巡天”观测有大量的黑体光谱，太阳是5800K，属于非常完美的黑体，里面是非常复杂的核聚变反应堆，有磁场、有对流、有湍流，但辐射出来达到平衡以后是非常完美的黑体。
恒星的黑体光谱就存在所谓的紫外灾难，细节就不在这里讲了，但大家都知道越是波长短或者品种高的光子方向，单位能量就越高，好像如果有紫外辐射就有可能把皮肤或者基因都烧伤。但到了光谱，跟我们预研的不一样，紫外掉下来了，所以在当时被称作紫外在浪。普朗克为了解释紫外灾难1900年发表了两篇文章，就是普朗克1900A和普朗克1900B，构造了一个所谓的简谐震子系统，弹簧充分碰撞达到一个热平衡，中间就会产生革命性的跳跃，发现只要要求这些弹簧的能量有最小的单位。更惊人的是，由于有恒星光谱完美的光体辐射，可以把这个数字拟合出来，这就是我们知道的普朗克常数，任何一个光的频率乘上普朗克常数就是能量。
可怕的地方在于，能量的时间和空间是一样的，存在量子化。现在宇宙中的物理过程其实是非连续的，好像我在这里走，因为是经典近似，看着是在走，其实是一下一下往前跳的。这是通过物理学家对天文学观测细致的思考，但不是从原理上出来的，而是从经验上出来的，真正开启二十世纪全新的物理学分支。有代表性的事件是现代天文学和现代物理学的主要脉络，现代天文学和现代物理学是从一个人起源的，就是从伽利略起源的，第一次使用望远镜看太空，并且有比萨斜塔的实验，就是对惯性物理定律的思考，催生的两类学科的融合在二十世纪初又催生了量子力学。
二十世纪最重要的发展就是各种大型望远镜的发展，系统“巡天”，到了二十一世纪，现在天文学一系列的前沿，地外行星和引力波，真正未知特别神秘的就是跨越射电爆，带给我们全新的未知宇宙。去年获得邵逸夫天文学奖，因为是2004年才设立，相对于诺贝尔奖影响力和历史积累还有很大差距。因为我参与了这个奖的提名，做了一些调研，从邵逸夫奖2004年设立到2020年底，因为需要有一个时间延迟，共有十六位天文学者获得邵逸夫天文学奖，中间的八位也就是50%在获得邵逸夫奖以后又获得了诺贝尔物理学奖。我非常能够感受到现在天文学和物理学的前沿又再一次到了二十世纪初，就是存在大量我们不太好解释的现象和新的发现，但我们很可能是在一个整体系统重大突破的前夜。
从“中国天眼”到“宇宙触角”，要有更高的发现率，计算是在聚焦，但底层的逻辑都是用技术创新带来对宇宙新的发现，然后要对其进行系统的思考和融合，看一看我们是不是能够找到宇宙运行新的基础原理。
“计算感知宇宙”现在还是一句广告词，但希望在一到五年可看见的未来，我们能够再次给大家带来真正新的发现和认识。
除本篇外，搜狐科技还将通过多种方式全方位呈现此次论坛嘉宾，关于前沿科技发展的洞见和思考。更多精彩内容，请关注2024搜狐科技年度论坛专题报道。