“天眼之父”南仁东：梦想与坚守

吴丽玮

一个充满想象力的科学家和他23年守望梦想的故事。

天文学家的想象力

9月15日，72岁的南仁东在美国治疗肺癌时去世。“他说，如果有一天他真的不行了，他就躲得远远的，不让我们看见他。”FAST工程调试组组长姜鹏回忆说，这可能就是南仁东的性格，希望保持着最有尊严的形象。

姜鹏来天文台面试的时候，并不知道南仁东是谁，“只是感觉到他强大的气场，一看就是‘头儿，甚至有点像‘土匪头儿”。从上世纪90年代开始筹划FAST项目时，南仁东就一直留着一撮小胡子，过了20多年，头发和小胡子都已变得花白。在工地上他随意地穿着大汗衫，鼻梁上架着近视镜和老花镜，回北京又变回了时髦老人，有时候回到校园给研究生上课，他会穿花衬衫和牛仔裤，有一次还穿了条很潮的皮裤。“出国参加学术会议也很注重形象，要带一箱子衣服去。”FAST工程办公室副主任张海燕说。

群山之中的FAST工程（摄于2016年9月24日）  

南仁东是1963年吉林省的高考理科状元，考入清华大学无线电系，“文革”之后，在北京天文台读天体物理的研究生。他是一个爱好艺术和哲学的科学家，尤其喜欢画画，在日本国立天文台访学期间，创作了一幅油画《富士山》，至今仍挂在该校教学楼的大厅里。“有一次我问他，为什么反射面周围的六座百米支撑塔要等间距排布，打乱排不是能减少很多工作量吗？结果他就一句话，‘那样不好看。别看他忙，但做PPT特别讲究，有一次开完会其他单位的人问我，你们是请专人帮忙设计PPT吗，怎么版式那么好看？其实都是南老自己做的。”FAST工程副经理张蜀新向本刊回忆道。

“也许是因为喜欢艺术，他和一般科学家不太一样，想法不受拘束，很有想象力，经常会冒出很多创新点出来。”FAST工程接收机与终端系统高级工程师甘恒谦对本刊记者说。

数千块单元组成的球面主动反射面技术是由南仁东主导的FAST最大创新点之一。主动反射面技术在以往的射电望远镜中虽已有应用，但都用在小范围的改变上，目的是通过改变单元反射面的位置来保持整个反射面的抛面形状，而FAST的反射面要进行大范围的运动，每一个单元反射面的作用是要将球面改成抛物面，通过主动的变形实现对天体跟踪式的观测。而要实现这种跟踪观测，对反射面上空的馈源舱定位精度要求很高。目前规模世界第二的美国阿雷西博射电望远镜球面口径为305米，由100米高的三座铁塔支撑着一个重达500吨的三角形平台和可移动馈源臂，以及下方悬挂着的重75吨的圆屋组成馈源舱，“305米口径的望远镜，这个平台的长度大概在百米量级，如果我们500米口径的望远镜仍然采用这种结构，平台长度至少要达到250米，这个不太现实。”甘恒谦介绍说，FAST的馈源舱使用了名为“轻型索拖动馈源支撑系统”的新设计方案，由六座支撑塔吊起六根钢索，通过索长度的收放，调节馈源接收机与发生形变的反射面之间的相对位置关系，实现高精度定位。FAST的馈源舱平台重量仅为30吨，移动起来非常灵活，与德国波恩100米望远镜相比，FAST的灵敏度提高约10倍，与阿雷西博望远镜相比，其综合性能也提高了10倍。

当时他们做过几个馈源支撑缩尺模型试验，馈源舱的指向一直不能达到最大的观测角要求。“由于馈源舱是由塔上的钢索拉动的，角度始终趋向于水平状态，如果达不到40度的角度，就看不到银河系的中心。”甘恒谦说，南仁东很有想象力地提出，在馈源舱周围加一圈流体或半流体的“水环”，流体受到重力影响集中在某一方向，这样可以有效补偿姿态控制的不足之处，会使馈源舱的角度发生相应变化。不过后来通过与德国科学家的合作，FAST最终采用了钢索牵引驱动的轻量化柔性馈源支撑模式，“水环”的方案没有被采纳，但南仁东的想象力确实让项目组其他成员印象深刻。

与传统射电望远镜采用独立分块反射面单元技术不同，FAST主动反射面的主要支撑结构采用了创新性的索网技术，2002年FAST技术年会上，南仁东第一次正式提出这个概念。“我问南老师，原来的技术应用很成熟了，为什么要改？他说：‘很简单，因为省钱。反射面放在索网上面，坑的弧度要求就没那么高了，不然工程耗费会非常大。”甘恒谦说。

但索网的制造和安装难度相当大，首先是钢索结构超高疲劳性能的要求。索构建疲劳强度不得低于500MPa，他们从知名企业购买了十余种性能最好的钢索结构进行疲劳试验，结果令人意外的是没有一家符合FAST的要求。当时是2010年，台址开挖工程已经开始，姜鹏告诉本刊，原本台址挖好时，设备基础工程就应该同时做完，但钢索疲劳问题没有解决，反射面的结构形式就无法确定，设备基础工程便无法开展。

“一开始并没有想到寻找合适的钢索材料会面临如此大的困难，”姜鹏说，“当时南老压力太大了，在两年内，几乎总是寝食难安，这是FAST项目遭受到的最大的一次危机。”在想解决方案时，南仁东又开始了他天马行空的想象。“他甚至提出用弹簧作为弹性形变的载体，来解决索疲劳问题，我觉得很不可思议，最后拿出一个终极版的弹簧方案，目的是说服他，如果这个方案不行，其他弹簧方案也不用考虑了。但他这么说，其实是希望大家都能发散思维，提出更多的新方案出来。我记得当我在黑板上把图画完之后，他简单地问了几个问题，之后就沉默了许久，我甚至不记得会议是怎么结束的，只记得当时出奇的安静。当我们都离开会议室时，他仍然站在黑板前，背着手看我画的图，那时我觉得他有点无助，像个孩子。”

FAST对钢索结构的性能要求已经远超国内外相关领域的规范，因此没有任何一家企业能够提供相关产品，南仁东等人只能将方向转向钢索的研制中。与国家天文台在FAST工程项目上进行合作的科研、工程单位有几十家，但研究索疲劳问题的却寥寥无几。唯一对此做过实验的是铁道部科学研究院，但沟通之后发现并无可借鉴的经验，FAST必须从头开始解决材料的问题。“当时对索疲劳问题有很多不同看法，有人认为是摩擦腐蚀的问题，有人认为是锚固技术的问题”，姜鹏回忆说，因为无法确定问题的根源，所以研制工作要在涂层改善、锚固技术等几个方向上同时开展，在两年的时间里，经历了近百次的失败，几乎每一次的实验，南仁东都亲临现场，沟通改进措施。他们请来上海、南京等地的十几家单位以及国外索結构的顶级专家一起评审，同时也幸运地找到一家既懂技术、又有经验，同时愿意配合的厂家，在工艺控制上为FAST提供经验和产品，最终钢索结构才终于被研制出来。endprint

对FAST项目23年的坚持

1993年，东京召开国际无线电科学联盟大会，筹划21世纪初的射电天文学发展蓝图。包括中国在内的10国天文学家分析了射电望远镜综合性能的发展趋势，为观测不同宇宙距离上的中性氢提出了建造下一代大射电望远镜LT的倡议。这项计划在1999年改名为SKA，是一个总接收面积1平方公里的射电阵。科学家们期望，在电波环境彻底被破坏之前，可以弄清宇宙结构是如何形成和演化至今的，只有大射电望远镜才能帮助人类实现这一梦想。如果失去了这个机会，人类就只能到月球背面去建造同样口径的望远镜了。

1994年，当时年近50岁的南仁东开始主持国际大射电望远镜计划的中国推进工作。他提出，利用我国贵州省的喀斯特洼地作为望远镜台址，建设巨型球面望远镜作为国际一平方公里阵（SKA）的单元。最终这项计划落户美国，于是南仁东就提出一个大胆的方案，在中国建造直径500米、世界上最大的单口径射电望远镜，这项计划的英文名为Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，英文缩写为FAST。

当时中国最大的射电望远镜口径只有不到30米，这样的设备美国早在100年前就已经拥有了，而缺少设备就很难会有科学发现的机会，因此中国天文学界的国际影响力并不高。“500米口径在当时是一个非常非常超前的想法，南老师能提出这样的概念，跟他当时在国际学术交流中的广阔视野关系很大。”甘恒谦说。

80年代，北京天文台派南仁东去荷兰访学，在那里，他使用国际甚长基线干涉测量技术（VLBI）对活动星系核进行系统观测研究，在这一领域的早期发展阶段，主持完成欧洲及全球网十余次观测，首次在国际上应用VLBI“快照”模式，取得了丰富的天体物理成果。他所掌握的VLBI技术混合成图达到了当时国际最高动态范围水平，建立国内相关图像处理中心，在80年代使国内进行VLBI数据分析成为可能。随后，他又到日本做客座教授，帮助VSOP项目解决卫星-地球VLBI的成图难题。

“现在看来，南老师的想法是很有远见的。现在SKA一期工程仍然在建，建成之后和FAST的面积差不多大，之后的二期工程还需要10至20年时间，我们是抓住了这样的一个窗口期。”张蜀新说。

从提出这一构想到2007年正式立项，一切都是未知数。与南仁东共事多年的韩金林向本刊回忆说，90年代是科技人员最为困难的时期。“国家鼓励科技人才下海，我们是国内搞无线电最厉害的一群人，其中有一半人跑去中关村卖电脑，坚守的人工资是每个月100块，卖电脑每个月1000块。”在当时连发工资都很困难的时期，仍然坚持如此宏伟的一个科学梦想，足见南仁东坚定的信念。“2007年立项时，我们团组只有7个人。天文学是一个很小的学科，也是一个基础学科，不可能带来直接的经济效益，想获得国家的大力支持并不容易。其实他也很急，但他总是跟我们说，只要把前期预研工作做充足，总会有机会。”张海燕说。

作为FAST这样一个涉及领域极宽的大科学工程的首席科学家和总工程师，南仁东从天文学研究变成了懂力学、机械、结构、电子学、测量与控制、岩土等等的“战术型老工人”。动工时要建一个水窖，施工方送来了设计图纸，他迅速指出了几处错误。现场的六根百米支撑塔分别建好后，他总是第一个爬上去，几十米高的圈梁建好了，他也是第一個上去，“连螺丝拧得好不好他都十分懂得”。

“他总是无时无刻不在学习，我们都很佩服他，什么都懂。”张海燕说。FAST流传一个段子，一个来面试的小伙子说自己不会英语，学的是俄语，于是面试官南仁东就用俄语问他问题，小伙子又说自己会日语，南仁东又接着用日语问他问题。“小伙子很惊讶，我们告诉他，亏得你没说会西班牙语，老爷子会用西班牙语继续问你问题。”

他是FAST项目组里最忙碌的一个人。FAST工程馈源支撑系统副总工潘高峰告诉本刊，如果出差没有网络的时候，他就会坐立不安，“因为没办法处理邮件，他每天要处理上百封来自国内外的邮件”。在贵州克度镇大窝凼施工现场，他也总是冲在最前面。“台址勘察的时候，他已经65岁了，跟年轻人一起在没有路的大山里攀爬。在去周边最陡峭的一个山顶时，大家都劝他在山下等着，但他非要跟我们一起去。看到南老师这么大岁数都要亲自上去，搞得几个设计院老总也不好意思了，都跟着爬了上去，其中一个院长还穿着西装皮鞋。”

每一次南仁东到贵州施工现场，都要给工作人员带去好吃的，有一次带了很多水果，告诉他的同事，要分一些给一线的施工工人们。他看来工地施工的工人生活非常贫困，就悄悄打电话给现场工程师，了解工人们的身高、腰围。等他再来贵州时，打开随身的大箱子，里面都是给工人们买的T恤、休闲裤和鞋子。他跟工人们说，是跟老伴在市场里挑的，很便宜，希望大家不要嫌弃。“他在现场与工人打成一片，很难想象一个大科学家在简陋的工棚里与他们家长里短，他记得许多工人的名字，知道他们干哪个工种，知道他们的收入，知道他们家里的琐事，他对工人的那种尊敬，要不是亲眼见过，绝对难以想象。”姜鹏说。

在距离FAST建成一周年还有10天时，南仁东离开了人世。“南老师20多年只做了这一件事。”他的同事和学生们都这样说。在进行更多的调试之后，由南仁东主持建设的FAST项目，将在中性氢、脉冲星、分子谱线、VLBI和地外智慧文明搜寻等五大科学领域进行探索，从一个天文学家23年坚守的朴素梦想，到成为天文学界独一无二的国之重器，FAST未来将实现更多的天文学突破。endprint