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中國天眼 巡宇問天——「跟著課本讀中國」之貴州篇

2024-10-18科學
墨雲遮天,碧浪鋪地,浪裏獨舟,熠熠散發著銀白色的金屬光澤。
這裏是貴州省平塘縣克度鎮大窩氹,500米口徑球面射電望遠鏡「中國天眼」坐落於此。站上山頂觀景台俯瞰,巨型科學裝置鑲嵌在水流溶蝕形成的大坑之中,現代機械美感與山體自然環境精妙融合,宛若天成。
天文學是孕育重大原創發現的前沿科學,也是推動科技進步和創新的戰略制高點。作為全球規模最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡,「中國天眼」被寫入人民教育出版社編輯出版的【習近平新時代中國特色社會主義思想學生讀本(小學低年級)】。
黔南的雨季霧靄蒙蒙。循著課本裏的圖文,記者走近「中國天眼」,感受它震撼面容背後,更為深邃的科技之美。
「中國天眼」 貴州省平塘縣委宣傳部供圖
貴州省平塘縣通州中學天文社團學生正在利用光學望遠鏡進行觀測。本報記者 單藝偉 攝
辟新
驅車駛抵平塘縣通州中學,距離「中國天眼」僅有15公裏了。在該校物理教師陳禮碧的課堂上,不遠處的大家夥有個更接地氣的比喻——「鍋」。
「這口鍋的直徑是500米。如果在裏面裝滿蛋炒飯,夠全世界每個人分2碗、全中國每個人分10碗。」他用學生容易理解的方式描述「鍋」有多大。
對於射電望遠鏡而言,大就是王道。
來自太空天體的無線電訊號穿越了遙遠的宇宙空間,極其微弱。大口徑意味著能覆蓋更廣闊的天區、收集更豐富的資訊。
天文學看似浪漫,競爭卻相當殘酷,在觀測器材上表現得尤為突出。
古代中國曾長期是天文現象最精確的觀測者,而17世紀歐洲出現的第一台天文望遠鏡打破了這個常態。直到20世紀90年代,因觀測器材落後,中國天文學家們仍在使用國外的二手數據開展研究。
1993年,國際無線電科學聯盟大會在日本東京召開,提出要在新千年建造新一代射電望遠鏡。「我得回國。」時任中國科學院北京天文台副台長的南仁東,萌發了為中國建造大射電望遠鏡的夢想。
彼時,世界上最大的射電望遠鏡是美國的阿雷西博,直徑為300多米,而中國同類別器材的最大直徑不足30米。
關於「中國天眼」的夢想無疑是大膽的,可不大膽的又憑什麽稱為夢想?南仁東開始四處奔走,爭取一切可以爭取的支持。
在平塘縣南仁東紀念館內,記者跟隨一張張照片感受這一路的艱辛。
起初,南仁東西裝革履地站在主席台發言;選址期間,他卷起褲腿、打著雨傘、身披塑膠布,踉蹌在泥濘之間;建設時期,他頭戴安全帽、身著施工服,隱沒於建築工人之中……
時光揉皺科學家的面容、催白他的頭發,卻終未辜負他的夢想。2016年9月25日,「中國天眼」落成啟用,距離構想的提出,已經過去了整整22年。殫精竭慮、鞠躬盡瘁,南仁東因其突出貢獻,2019年被授予「人民科學家」國家榮譽稱號。
最大的器材並不直接指向最精彩的發現,但它提供了一種前所未有的可能性。
大膽做夢、開辟新路、懷抱期待,而不執著於最好的成果,「中國天眼」如此,平塘縣通州中學的天文教育亦是如此。
「中國天眼」落成後,一些「無用」的想法時不時從陳禮碧的腦海裏冒出來。「我們平塘出去的孩子,如果對‘中國天眼’一問三不知,人家會問他的物理老師是誰,那不是很尷尬嗎?」
通州中學成立於1958年。記者環視校園,依山而建的教室、宿舍雖幾經翻新,但樓梯上磨損的防滑條、教師辦公室破裂的地板磚,都透露著歲月的痕跡。這所鄉鎮寄宿制初中此前幾乎沒有過科學教育的嘗試,在這裏講天文,聽上去就很「天文」。
可簡單的初心就像一個支點,讓陳禮碧有能量擔起更大的責任。
他在學校成立天文社團,並堅持每周給七年級學生上一堂天文地方課程。沒有相關知識儲備,能聽的講座他都去聽;天文科普遇到實操問題,他硬著頭皮和一線城市有經驗的教師「拉關系」;沒有觀測器材,他便四處「化緣」……
花了7年時間,陳禮碧在一間半舊的空教室裏擺滿了十數台簇新的光學望遠鏡,也點亮了學生對宇宙的好奇心。長槍短炮的科技感令推門而入的記者發出驚嘆。
「我們的學生大多都是留守兒童。天文擴大了他們的視野、充實了他們的生活,讓他們知道自己也可以腳踏實地、仰望星空。」陳禮碧這樣理解天文教育的意義。
面對學生,更多時候他則會說:「好好學習,以後就能繼續‘玩’天文。」
求索
「遙遠的宇宙到底長什麽樣子?除了地球以外哪裏還有生命體?」
和很多同齡人一樣,一提起宇宙,通州中學八年級(5)班學生魯安玉就會冒出一堆問題。加入天文社團後,他的問題更專業了——「透過‘中國天眼’,天上的星星我們都能看見嗎?」
「中國天眼」不是「看」的,而是「聽」的。在平塘國際天文體驗館,記者詳細了解了「中國天眼」的工作原理。
與光學望遠鏡利用視覺觀測不同,射電望遠鏡會收集天體輻射,轉化加工成可以記錄和顯示的資訊用以科學研究。這帶給人類一種新的觀察宇宙的角度。
「中國天眼」的靈敏度是阿雷西博的2倍,巡天速度是其10倍,將在未來20—30年間保持世界一流器材的地位。這不僅源於它的規模,更源於它史無前例的主動反射面技術。
傳統射電望遠鏡的反射面是固定的。「中國天眼」則利用底部的柔性索網托起4450塊反射面板,使反射面局部可以跟隨索網的伸縮做到瞬時變形,從而更好地聚焦目標天體、滿足觀測需要。這也要求索網能在承受巨大重量的同時抗反復拉伸。
當時,市面上的鋼索全部在疲勞試驗中失敗,南仁東和團隊用兩年時間跑遍大半個中國、幾十個生產廠家。經過一百多次試驗,他們終於找到了效能理想的鋼索。
在南仁東紀念館內,記者看到了「完美鋼索」的橫切面。7條細鋼筋合抱成一組,5個鋼筋組再合抱成一條,仿佛象征著「中國天眼」團隊的團結共進、上下求索。
微觀層面,陳禮碧也是一個求索者。他面對的問題是「為什麽折騰」。
天文社團初創,沒有經費來源,陳禮碧自費參加天文活動,家人問「為什麽折騰」;高級教師的職稱已經拿到了,天文科普也很累,同事問「為什麽折騰」;學生個個面臨中考壓力,課本上要考的還不一定學得好,家長問「為什麽折騰」。
一些時候他會給出「合理」的解釋:參加天文活動能鍛煉學生的大腦,無形中他們的解題方式就會更靈活。更多時候,他像一顆恒星,沈默而孤獨地自轉。
宏觀層面,科學技術正以日新月異的速度發展。黨的十八大以來,中國基礎前沿研究實作新突破,戰略高技術領域迎來新跨越,創新驅動引領高質素發展取得新成效,科技體制改革開啟新局面,科技事業取得歷史性成就、發生歷史性變革。在一體統籌推進教育科技人才事業發展的大背景下,2023年5月,教育部等十八部門聯合印發【關於加強新時代中小學科學教育工作的意見】,把對科學教育的認識提升到了新的高度。
一個發展中大國決心最佳化她的發展方式,這股春風吹遍了神州大地,也吹到了黔南的山坳中。2021年教師節,中共平塘縣委、平塘縣人民政府授予陳禮碧「平塘縣優秀教師」稱號,恒星的光芒開始照亮他身邊的小宇宙。
「開始是興趣,後來變成愛好,現在是責任了,不做不行。」誌同道合者越來越多,學生發展得越來越好,今天的陳禮碧覺得自己終於「撥開迷霧了」。
他實作了人生價值的求索。
問天
2024年中秋節,陳禮碧和天文社團把觀測器材搬到了校外。在平塘縣通州鎮荷塘橋廣場,他們和周邊社區的居民一起賞月。「月亮怎麽是坑坑窪窪的?」「那麽多坑是怎麽形成的?」對於很多老鄉來說,這是月亮第一次褪去神話的面紗。
從低頭弄田到仰望星空,平塘人的生活因「中國天眼」而改變,這個山區小城也吸引了全世界的目光。當地緊抓機遇,發展天文科普旅遊和研學產業,在以自然風光見長的貴州,樹起了一塊科技與自然之美交相輝映的金字招牌。
公路兩側的天文儀器浮雕、飛碟造型的路燈、天文小鎮充滿科技感的建築、校園裏四處張貼的天文學家語錄……平塘海拔不高,但穿行於此,記者覺得自己與天空、宇宙似乎更近了一些。
按照直線距離來計算,離地面100公裏的地方就是天空的邊緣。如果有一條垂直向上的公路,開車一小時,我們就能觸碰宇宙。可千百年來,重力桎梏腳步,在宇宙的規則和尺度下,我們渺小、微不足道。
但縱使是太倉一粟,人類也從未停止對宇宙的探索。
宣夜說、蓋天說、渾天說,古代中國人用大膽的想象在腦海中構築宇宙的模樣。圭表、渾天儀、水運儀象台,古中國天文學家用精巧的儀器觀測宇宙,預測禍福、指導生產。
時光轉入新時代。2017年10月10日,中國科學院國家天文台收到了由「中國天眼」捕獲的首批脈沖星訊號。這是人類首次聆聽到來自1.6萬光年外和4100萬光年外的脈沖星訊號,使中國實作了零的突破。
截至目前,「中國天眼」已發現新脈沖星超900顆,是同時期國際上其他望遠鏡發現脈沖星總數的3倍以上。要知道,人類發現第一顆脈沖星後的半個世紀裏,全世界發現的脈沖星也不到3000顆。
首次在射電波段觀測到黑洞「脈搏」,發現迄今已知軌域周期最短脈沖星雙星系統,探測並構建世界最大中性氫星系樣本……近年來,「中國天眼」持續產出重量級發現。德國馬克斯·普朗克射電天文學研究所的天文學家勞拉·斯皮特勒預測,到本世紀30年代,「中國天眼」將為人類研究超大質素黑洞碰撞等天文學前沿研究積累大量數據。
「FAST」,這是「中國天眼」全稱的英文縮寫,作為單詞恰好是「快速」的意思,仿佛註解著中國天文從追趕到超越的速度。「達則兼濟天下」,未來,「中國天眼」將持續為人類極目宇宙貢獻中國智慧、提供中國方案。
在平塘國際天文體驗館的大廳裏記者註意到,一組雕塑吸引參觀者打卡、拍照——屈原站在地球模型上,挺身昂首,直指天花板上的星系圖。
「明明暗暗,惟時何為?陰陽三合,何本何化?圜則九重,孰營度之?惟茲何功,孰初作之?」2000多年前,屈原或許就是這樣對著天空發問,想知道宇宙、天體和生命的奧秘。
今天,在同一片天空下,帶著同樣的好奇,「中國天眼」正屏聲聆聽,等待廣袤的宇宙給予人類期盼已久的回答。
(本報特別報道組成員:本報記者 張瀅 劉亦凡 歐媚 單藝偉 執筆:本報記者 劉亦凡 歐媚)
來源:中國教育報