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人是要做一点事情的——追记“时代楷模”天文科学家南仁东
栏目:先进风采 作者:肖郎平 来源:贵州日报 编辑:罗忠显 发布日期:2017-12-08 评论数:0

人是要做一点事情的——追记“时代楷模”天文科学家南仁东


  当个体的自由和国家的责任发生冲突时,你会怎么办?


  南仁东,一个天文科学家,遇到过冲突,抗拒过冲突。最终,他竖立一座科学的丰碑,踏过平庸,把有限的人生谱写在无垠的苍穹。


  他的一生,以国家的需要开始,以国家的需要结束。但是,他却谦虚地称,自己没什么高尚的理想。


  大国当有重器


  人类活动产生的人为电磁波越来越多,如何在电波环境严重恶化之前加快探索宇宙的步伐?天文学家们忧心忡忡。


  1993年,在日本东京召开的国际无线电科学联盟大会上,中国、南非、澳大利亚、日本等十多个国家的天文学家提出,联合建造新一代射电大望远镜,由数千个较小的碟形天线组建成达一平方公里的射电阵(SquareKilometerArray,缩写为SKA)。


  南仁东获悉后,满怀激动,认为中国也应当建一个,提出建设一台500米口径的球面射电天文望远镜(英语缩写为FAST)。


  这是一个狂妄的梦想。当时,国内天文望远镜最大口径只有25米。很多人都认为这不可能实现。


  1994年,南仁东开始为FAST项目选址,正式踏上逐梦之路。谁也没想到,仅选址就耗时12年。研究团队建立了391个候选洼地的地形地貌数据库,再从中精选出90多个,随后进行漫长的实地勘察。踏遍青山,最终选中了贵州省平塘县的大窝凼。


  2016年9月25日,“天眼”工程竣工。这是世界独一无二的项目,其反射面积高达25万平方米,相当于30个足球场。它比德国波恩100米望远镜灵敏度提高约10倍,比美国阿雷西博300米望远镜综合性能提高了约10倍,将保持世界领先地位二十年左右。


  如今,尚处于调试阶段的FAST,就已经探测到数十个优质脉冲星候选体,其中8颗得到国际认证,实现中国望远镜发现脉冲星“零”的突破。


  人类过去60年来发现的脉冲星总计2700多颗。国内外同行预计,FAST有可能发现的数量将是过去的两三倍。


  同事们记得,他总是说,“人是要做一点事情的。人总得有个面子吧,往办公室一躺,什么也不做,那不是个事。”他做了一件国之重器的大事情,不仅如此,还把别人不看好的大事情做好了。


  改变中国地位


  这个项目意味着,中国的射电天文研究摆脱了过去依赖别人二手数据的状况。这使中国天文学界倍感振奋。中科院院士崔向群说,以前用国外观测数据,虽然能够得到一些成果,但更多的是人家已经吃剩的冷饭,FAST可以使中国天文学研究水平得到整体提升。


  更令人值得期待的是,诺贝尔奖历史上明确基于天文观测的10项成果中有6项出自射电望远镜,可以预见,未来完全可能有诺奖级成果从贵州深山走向世界。


  “天眼”引起了海外媒体的巨大关注。法新社称,中国将这一雄心勃勃的太空项目视作该国科技进步的象征。英国《每日电讯报》网站报道表示,天文学家把这个望远镜称为搜寻外星生命形式方面的一个“游戏规则改变者”,中国比其他任何国家看得都更远。


  “天眼”也引起了国际同行的巨大关注。“METI国际”机构主席道格拉斯·瓦科克说,FAST是“在宇宙中搜寻生命方面的游戏规则改变者”。SKA总干事菲利普·约翰·戴蒙德说,“中国已为世界天文界作出了很多贡献,FAST的建成更加令人惊叹,它把中国天文学带到世界第一梯队。”


  习近平总书记三次提到“天眼”工程。竣工当天,习近平总书记就FAST落成启用发来贺信,此后,“中国天眼”又分别被写入2017年新年贺词和党的十九大报告。


  据悉,党和国家最高领导人为大科学工程落成发贺信是第一次,贺信评价“中国天眼”说,“它的落成启用,对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。”


  造福贵州,打开联通世界的天窗


  南仁东时刻关心关注贵州和黔南的发展。他多次提出项目建设一定要考虑对地方经济社会的促进作用,要给地方百姓带来好处。


  大窝凼移民是最直接的受益者。村民感慨,如果不是“天眼”,他们可能一辈子也走不出大山。杨天信全家6口搬进安置点,盖了新房,还开了一个轮胎销售店,日子过得红红火火。村支部书记感慨,几代人没想过,甚至不敢想的生活,今天呈现在面前。


  “天眼”成为贵州的世界级名片。移民安置点克度镇打造“天文小镇”,被评为全国十大科技旅游胜地,每年游客至少20万人次,比美国阿雷西博天文台客流多一倍。


  “天眼”推动了贵州相关科技研究。2006年贵州大学引进第一个天文学博士,2008年国家天文台与贵州大学共建的天文联合研究中心挂牌成立,2016年黔南民族师范学院开办天文学专业。


  “天眼”也促进了贵州大数据事业。目前,国家天文台已经在贵州师范大学建成“天眼”早期数据中心,正在贵安新区规划建设中国天眼数据处理中心。同时,在这一基础上,贵州将申建SKA亚洲区域中心,建设国际天文学界又一重要的科学研究中心,改写西部省份没有大型超算中心的历史。


  “天眼”促进了贵州的开放大格局,为全球天文学家搭建了一个合作交流的高端科研平台,既打开了人类探索宇宙的新天眼,更打开了世界认识贵州的新天窗。


  甚至,连普通村民也因“天眼”打开了和世界沟通的窗口。李大艳以前在外面打工,现在是一名宾馆服务员,下班回到家就躲起来背单词,因为外国客人越来越多。现在,经过刻苦学习和培训,她已经能说简单的英语了。


  摘星星的人


  18岁的南仁东意气风发,以平均98.6分(百分制)的高考成绩如愿以偿地迈进清华大学。他那么渴望进入清华,却又差点弃清华而去。


  高考前,有一个北京军校的招生老师提出保送,南仁东却拒绝了这种别人羡慕还来不及的事情,声称除了清华、北大,哪都不去。


  但是,如愿以偿的喜悦很快被痛苦所取代。他被调剂到无线电专业而不是他所选择的建筑系。原因是,他的成绩太优秀,比分数线高出50多分,国家更需要无线电人才。


  南仁东耿耿于怀,甚至跑回家,说什么都不想读了。结果,他遭到工程师出身的父亲严厉训斥。就这样,中国少了一个建筑工程师,多了一个卓越的天文学家。


  当年的大学生被称为天之骄子,更何况是名牌大学毕业生。但是,少年得志的南仁东并没有如一般人所想象的那样顺利,毕业后被分配到吉林长白山一个无线电厂。在那段长达十年的庸常岁月,他对开山放炮、水道、电镀、锻造等都在行,成为厂里的技术科长。


  1978年,他的命运出现转机:他考取国家天文台的研究生。


  今天的学霸们可能会认为不算什么。是啊,和动辄30岁出头就已经是教授、博导的新学霸们相比,和崇尚“出名要趁早”的文艺小清新们相比,南仁东33岁才上研究生、42岁才博士毕业,怎么说都算不上人生的赢家。


  “老骥伏枥,志在千里;烈士暮年,壮心不已。”48岁那年,当同龄人开始谋划个人的退休生活时,南仁东开始谋划国家重大科技基础设施工程;62岁那年,他才盼来项目正式获批;71岁那年,他在生命走向终点前夕等到了竣工的隆重时刻。


  在清华读书期间,有一年,周恩来总理到学校视察并会见学生代表,南仁东不仅是代表之一还被周总理点名发言,这件事情让他激动了一辈子。南仁东的高中同学吴学忠回忆说,“南仁东生平最崇拜的科学家是爱因斯坦,最景仰的伟人是周恩来。两种精神,在南仁东的人生里,就像是两盏灯塔,指引他最终成为世界巨匠。”


  南仁东用诗歌一般的语言号召人们,同时似乎也预言了自己的人生,“美丽的宇宙太空,以它的神秘和绚丽,召唤我们踏过平庸,进入它无垠的广袤!”


  不怕大麻烦,方得大创新


  FAST项目有不少创新,其中荦荦大端者有三个。首先,利用天然喀斯特巨型洼地作为望远镜台址,使得望远镜建设突破百米极限;其次,自主发明主动变形反射面,在观测方向形成300米口径瞬时抛物面汇聚电磁波;最后,自主提出轻型索拖动馈源支撑系统和并联机器人,实现望远镜接收机的高精度指向跟踪。


  22年中,南仁东殚精竭虑,带领老中青三代科技工作者克服了不可想象的困难,实现由跟踪模仿到集成创新的跨越。


  国家天文台研究员、FAST工程副经理彭勃回忆,在望远镜方案的酝酿期,他推荐了最新的主动反射面技术。南仁东说:“老彭啊,你给我找了一个大麻烦,把我逼得毫无退路了。”


  在8个鸟巢那么大的洼坑里铺满这样精巧的镜片,每一片还都要会动,难度之大,可见一斑。但为了把FAST建成最好的望远镜,南仁东还是放弃了自己研究已久的镜面方案,咬牙承担下了这个“大麻烦”。


  彭勃说:“现在我常常在想,那时的南老师,一定经历了痛苦的心理挣扎和自我革命。我也常常在想,如果我们不这么折腾他,他是不是不会走得这么早?”


  然而,要想实现会动的目标,必须有支撑反射面实现变形的索网结构以及让馈源舱进退自如的驱动索。


  此前,包括斜拉桥的钢索在内,全球索网标准最高记录只能达到FAST索网设计要求的一半,其强度是200兆帕、200万次弯曲。


  然而,FAST的钢索上需要安装反射面板,需要经常调换角度和不断拉伸,设计人员提出的要求是,钢索强度为500兆帕、200万次弯曲。


  事实上,FAST索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系。在这次索网技术攻关中,诞生了12项专利,其中发明专利7项,这些成果也会应用到国民经济的其他领域,比如港珠澳大桥就应用了这项技术。可以说,这是目前世界上最好的索网。


  同时,FAST馈源舱是一个索驱动的并联机器人,舱重量大大降低。美国阿雷西博馈源舱重达千吨,而“天眼”的馈源舱仅重30吨。这样既降低造价,又提高稳定性,可实时达到毫米级高精度定位,实现对天体的高精度指向跟进观测。因此,各项性能指标远超美国阿雷西博望远镜。


  迎难而上,舍我其谁


  大多数情况下,项目负责人会倾向于避免创新,这会增加项目风险性,造价也不可控。南仁东也一样,对创新保持谨慎,尽管这样,但他不怕创新,该承担责任时就敢于拍板。他的助理姜鹏说,“其实他并不喜欢创新,风险大,但是工程需要,被逼着创新。”


  创新之一就是,利用贵州的天然喀斯特巨型洼地作为望远镜台址。有人会疑惑,洼地是天然的,这算什么创新?


  答案在于,如果在平地上建设射电天文望远镜,最大口径只能在百米以内。否则,再大的话,其自重以及风荷载就会让望远镜发生变形乃至压垮。


  所以,选择喀斯特天然洼地作为望远镜台址,可以突破百米极限。那么,能不能在平地挖个坑呢?可以。不过,如果在平地挖一个这么大的坑,得耗资30亿元。可是,利用大窝凼天然洼坑,土建工程耗资仅1亿余元。


  最艰难的创新是索网结构。2010年,他们对买自知名企业的十余根钢索进行疲劳实验,均以失败告终。此时,台址开挖工程已开始,但索网达不到要求,反射面的结构形式就不能确定下来。


  核心技术买不来,也等不起,唯一的道路,就是自主研发。姜鹏就是在此时走近南仁东,负责解决索网疲劳问题,“对他来说是个陌生的领域,他就慌了,手足无措,头发都乱了,竖着。”


  姜鹏至今记得一个被定格的背影,空旷的会议室里,南仁东背着手站在黑板前,盯着最终被放弃的草图,“像一个无助的孩子。我当时很难理解,这样的大科学家也会手足无措。”


  技术攻关时,他总是一支接一支地抽烟,屋子里浓烟弥漫,同事们开玩笑说要戴防毒面具才敢去他办公室。2015年4月,他被确诊患有肺癌。


  南仁东和研究团队前后做了十多种方案,往返厂家五六次,经历近百次失败,最终研制出满足要求的钢索结构。


  在最困难的时候,南仁东甚至说过,国家给了这么多钱,如果建不好,他就从100多米高的馈源舱支撑塔上跳下去。面对如此巨大的压力,必须有绝处逢生的勇气,才能担当。


  壮观而细微,毫米级精准


  “科学与艺术是可以相结合的”,这是南仁东常常挂在嘴边的一句话。建设六座馈源支撑塔时,在大窝凼那个地方要找到平地非常难。在这种情况下,有人建议差不多就行了。但是,他明确表示不行,六个塔一定要均匀分布,看起来才有美感。


  有了他的坚持,大窝凼变成一个现代机械美感与自然环境完美契合的工程奇迹,“中国天眼”成为一道美丽的科学风景。


  “天眼”是个庞然大物,圈梁周长1.6公里,步行环绕一圈要40分钟。有人算过,如果装茅台酒,按现有产量需要40年才能装满,全球70多亿人口每人可分四瓶。


  “天眼”也是个超级重器,圈梁、索网和6座支撑馈源舱的高塔用掉1万多吨钢材,反射面板用掉2000多吨铝合金。


  尽管它又大又重,但绝不粗糙,而是处处实现毫米级精度控制。工程人员要把4450块反射面单元最终构成完整的FAST,更复杂的是,这些反射面单元种类达484种,安装铆接部件有140种。同时,施工要求安装精度误差不超过2毫米,最终控制在1毫米以内。


  2000多个液压促动器,密布在反射面背后,与大地相连,通过钢索伸缩,让反射面实现精确变位,误差不超过1毫米;索网由7000多根手臂粗的钢缆组成,每一根钢缆的加工精度都被控制在1毫米以内;500米口径的天线精度是3个毫米;每一块反射面板的制造精度是1.5个毫米。


  反射面的弧度近似完美,这是精益求精的另一个例子。南仁东对施工要求不断提高,从10毫米、7毫米、3毫米直至2.1毫米,这对工程来说是巨大考验。通俗地说,打造一个500米口径的球面,出现一点凹凸不平是正常的,但是,它竟然实现了近乎完美的圆。


  FAST工程测量与控制系统总工朱丽春说:“FAST宏伟壮观,最震撼人心的是它的精准。它要在如此大的尺度上达到毫米级精准,并在约定时刻内到达。”


  据介绍,一位国际同行来到大窝凼,看到六座铁塔牵拉着钢索和硕大的球面镜,连声说,“了不起!了不起!”最后还留下一句话,“这活儿也就是中国人能够干成。”


  2012年8月31日,台址开挖现场,南仁东(右四)与施工人员交流。



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