SKA,让科学赢了

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狐,是南非Karoo盆地常见的小型哺乳动物.觅食时,狐们会直立布阵、四处张望,从而扩大群体的预警范围.而对于主动搜索宇宙信号的人类来说,道理一样,如果单面天线的接受能力有限,为什么不建成一个阵列?

南非的科学家与工程师们,不但在Karoo盆地这么做了,还把他们的阵列一语双关地命名为MeerKAT（南非阵列望远镜）.MeerKAT是一个由64座、每座直径为13.5米反射面天线所组成的天线阵.

然而, MeerKAT只是一个“探路者”.一个3000座天线组成的阵列（Square Kilometer Array,下称SKA）的大科学工程规划已出,吸引了十个会员国家,这也是继“人造太阳”（国际热核聚变实验堆）中国参与的第二个国际大科学工程.

与“哈勃”这样的地外光学望远镜不同,射电天文望远镜并非捕捉可见光,而是探测宇宙的电磁波信号,用于研究宇宙大爆炸、星系演化、暗能量以及宇宙磁场等问题.它在天体物理学研究中不可或缺,已为六项诺贝尔物理奖成果,以及炙手可热的引力波研究提供了最直接的数据.

然而,各个国家对大科学工程的痴迷,不仅在于军事运用,更乐意它所带来的新兴产业链状发展.计划于2018年正式开建的SKA也不例外,主要参与国正以它为旗舰,在天线制造、信号处理以及数据传输等多个工程领域进行产业布局.

因此,从工程包的招投标、项目成果的知识产权归属,到SKA国际组织的法律属性,相关国家暗自较劲.它们一面迅速扩充国电天文的研究实力,一面在国际谈判上折冲樽俎. 南非的“嫁妆”

1957年,苏联的第一颗人造卫星升天后,在整个西方无线电界,只有英国的Jodrell Bank射电天文台跟踪到了它的轨迹.这令南非人尼克尔森（Gee Nicolson）的心为之震动,当时他还只是一个电子工程二年级的学生.

如今,Jodrell Bank天文台是SKA总部的所在地；而尼克尔森也成为南非SKA项目的拓荒者,他和同僚们一道,成功地在2012年让南非被选为SKA的双台址之一,使得三分之二的天线落户于此.

这一切并非命运的巧合.尼克尔森撰文披露,南非的射电天文发家于美国海军研究实验室在此建造的卫星跟踪站,这一资产被并入1958年成立的美国国家航空航天局（NASA）.由此,NASA决定在南非再建一座26米的反射面天线――深空51号站,对月亮和行星进行探测.而刚刚大学毕业的尼克尔森,在这里谋到一个职位,负责天线控制系统.

当时,美国加州理工大学的射电天文台,利用自己27米的射电天文望远镜,对北银河系进行了射电巡天.尼克尔森想,为什么不利用南非的51号站,对南银河系做同样的事情?更何况51号站的反射面天线恰巧也能调到加州理工巡天时所用的频率――960兆赫兹.对南银河系的射电巡天,以及与澳大利亚合作的干涉测量,让尼克尔森成为南非科学与工业研究委员会（下称南非科工委）首屈一指的射电天文学家.尽管此时,南非科工委因成本太高,并不热衷射电天文学.

然而,命运弄人.南非秘密计划被,NASA迫于政治压力于1973年撤出南非,深空51号站停摆.对于尼克尔森博士来说,这并非全是坏事.他说服南非科工委,花了很少的钱将51号站改造成射电天文台.

虽然在后来南非的科学体系改革中,射电天文几经易手,但是整个学科却在壮大,每年都能获得数百万兰特的研究预算.并且,在国际政治红色警报解除后,南非迎来了NASA的卫星激光测距系统,使其天文研究实力又上一个台阶.

1993年,国际天文界开始筹划建造下一代大射电望远镜,并在六年后,发布科学白皮书,定名为SKA.对于当时的南非科学家,这是一个不敢想的大工程.幸运的是,他们在世纪之交盼来了南非科研战略的新理念,即：通过提高公众的认知度和参与度,来提振南非的科研水平.那么,还有什么能比天文台更具有公共识别度呢?

在南非,这是一项政治正确的变革.因为它和时任总统姆贝基提出、并在之后以多部法律确立为国策的“黑人经济振兴”计划一脉相承.而“黑人经济振兴”计划的基础,正是提高占南非人口80%的黑人的教育水平.

是时,年仅45岁的黑人生物学家Khotso Mokhele博士,执掌国家研究基金会,他对射电天文表现出极大的热情.他在2002年同尼克尔森博士,以及从英国回来的射电天文学家们,上书南非科技部,希望南非能够对SKA投入专项经费,并参与SKA台址的竞标.

现在科学家们就缺一个经验老到的项目经理.时任南非科技部总干事、核物理学家亚当姆（Rob Adam）,突然想起了一个“游手好闲”的南非人――法纳罗夫（Bernie Fanaroff）.

早在1974年于剑桥大学做博士的时候,法纳罗夫就通过一篇关于射电星系的论文,奠定了学术地位,至今,射电天文学仍在使用以他的名字命名的分类法.

但是,他却在1975年回到南非执教不到一年,就从科学界洗手不干,全身心投入南非当时刚刚萌芽的工会运动.

30年的社会经历,让法纳罗夫博士拥有良好的沟通技巧,以及政治谈判本领,并且在政府和工业界的人脉极广.因此,虽然南非的射电天文学起步较晚,但是从2003年开始,尼克尔森―亚当姆―法纳罗夫所组成的物理学博士“铁三角”,让南非的SKA高歌猛进.

车轮一转,便停不下来.为了建造SKA的探路者MeerKAT,除了那座由51号站改造而来的26米口径反射面天线,南非在2010年又建成了7座直径为12米的反射面天线所组成的原型机KAT-7,进行信号接收,以及用于信号提取的相关器ROACH系统.

南非政府将北开普敦省的250平方公里土地,即Karoo盆地划为天文核心区.南非还出台了一部《天文学地理优势法》,以禁止在天文学研究的核心地区,进行矿业开采、有害工业发展以及发电与输电,包括新增商业与定居点.从而将人类活动对射电天文研究的辐射干扰,降到最低点. 这一切科学、工程、体系和立法层面的准备,都帮助南非最终在2012年脱颖而出,与澳大利亚共同成为SKA的台址.南非的探路者64座13.5米口径的MeerKAT项目,总预算超过1亿美元.其中,第一座天线于2014年3月刚刚落成. 追逐SKA

根据物理学家霍金的理论假设,宇宙始于奇点.量子涨落所致的不稳定状态,导致宇宙大爆炸,此时,会辐射出各种宇宙射线和微波信号,如果探测到这些“最古老的光”,也就能了解到爆炸瞬间的痕迹,从而验证宇宙大爆炸理论.

然而,地球上有太多人类活动所产生的辐射,会对接收这些飘散在宇宙中的微波信号产生干扰.就连大气层中的水蒸气都会对特定微段产生吸收.这样,就需要把接收器做到尽可能的大.

目前世界上最大的接收器,便是建成于1974年、直径达300米的阿雷西博射电天文望远镜.它坐落在波多黎各的一片热带雨林里,由美国康奈尔大学管理,这也是谍战片007之“黄金眼”的取景地.

科技技术发展虽快,对宇宙的深入研究,还是只能靠射电天文望远镜.迄今,世界上只有两座直径超过100米的射电天文望远镜,另一座在德国.但是,这难以满足科学家们的好奇――到底是什么让物体克服引力,使得宇宙加速膨胀,宇宙磁场又来自于哪里,等等.

于是,SKA被设计为：效果相当于100座100米口径反射面天线所组成的射电天文望远镜阵列.它的信号接收覆盖频率,也从70兆赫兹到25吉赫兹.其中,对高频信号的接收,将由3300座15米口径的反射面天线完成,在3000公里范围,形成悬臂状分布；而中低频部分将由孔径望远镜阵列完成,这样能使最好的孔径望远镜的灵敏度提高50倍,搜寻速度快1万倍.

但是,科学目标与工程实现之间,存在很大的距离.

现有的天线技术方案,还没有一个能够满足SKA15米口径反射面天线的需求.另一个巨大的挑战是,SKA将产生海量数据.其中,反射面天线产生的数据量是现有英特网的10倍,孔径阵列的数据量则是100倍.SKA所产生的海量数据,需要处理能力达到10亿亿次/秒的高性能超级计算机,是2010年最高性能的超级计算机处理能力的50倍,相当于10亿台个人电脑.

1999年发布SKA的研究目标后,科学界与工程界就一直在研究技术的实现方案.在国际SKA组织（SKAO）协调下,20多个国家的67个科研机构围绕着十大工程领域,形成十个工作包联盟.

各工作包联盟向SKAO提交研究标书,经五个月的审核,2013年11月,SKAO与十个工作包联盟分别签署研究协议.今年,工作包联盟和各科研机构之间,要签署研究协议的子工作包.

“都是‘自带干粮’,参加研究.”参与SKA项目的中科院国家天文台研究员彭勃对《财经》记者说：“在研究准备阶段,SKAO不出钱,各个合作机构对自己的子工作包,承担义务、自出经费.”中国已经参与了反射面天线、孔径阵列、科学数据处理中心、宽频带大视场接收机、信号传输等六个工作包联盟.

直到十个工作包的研究做完,才能制定SKA的最终技术与工程标准.毕竟,SKA数量巨大,要在工程上能够达到低成本、大批量生产,并且还要匹配相应的信号传输与处理设备.

各国的政治家们曾经把开建时间定为2016年,然而,目前的研究进度已然滞后,2015年3月,将明确具体的科学目标,随后,将制定细化的技术指标.因此,科学家们普遍认为,2018年能开展一期工程就不错了.一期工程为期四年,占工程量的10%,随后是再追加六年的二期工程. 政治荆棘

科学家们还要克服横亘在工程面前的政治荆棘.

SKAO是一个在英国注册的非营利性公司,这不但使得一些会员国不满,而且会对设备进出口直接造成关税成本.一位外交人员对《财经》记者透露,目前谈判的一个重要目标就是SKAO的法律属性,是否要变成一个国际政府间组织.但如果这样,就要再通过相关会员国立法机构的批准,亦需要时间.

出资、知识产权以及科研时间分配,是各国关注的焦点.而外交谈判的筹码,就是各国的科研实力.以多国合作的大型科研项目――“人造太阳”项目为范本来看,在项目建设之前的知识产权,属于各个机构自己的；而项目建设之后的知识产品,则是成员国共享.那么,这就意味着建设前各个国家为自己置办的“嫁妆”越多,也越能保障自己在“夫妻共同财产”上不吃亏.

在出资金额和科研时间的分配上,亦存在不同的比例关系.2007年时,SKA的建造估价为15亿欧元,由十个会员国联合筹资.然而,目前的估价已攀升至40亿欧元,其中第一阶段为6.5亿欧元.

“就以往经验来看,基本上是内外1∶1的配比,也就是说对外投资4亿欧元,对内研发配套资金也得达到4亿欧元,才能把一个大科学项目做好.”彭勃说.

2014年3月,英国教育和科学部部长威利茨（Did Willetts）宣布,英国将为SKA第一阶段建设投资1亿英镑.中国至今对SKA的总投入为5000万元.

出于提振本土产业的考虑, MeerKAT的天线设计、生产和运营标的,并没有给参与竞标的中国电子科技集团第54研究所（下称54所）,而是给了南非本土的竞标者.南非SKA项目的电子工程师开普（Francois Kapp）对《财经》记者说：“至少有75%的组件都是在南非当地生产.通过那些巨头再分包给本土的供应商,这样就可以通过政府的科研资金,提高南非在这个领域的整体技术与制造水平.”

幸好,SKA的台址不止南非一家,澳大利亚也开展了自己探路者项目ASKAP――36座口径为15米的反射面天线组成的阵列.54所顺利中标,并在2012年完工,于2014年4月产生第一组科学数据.

54所并非一个人在战斗,它的身边站着中科院.

早在1993年,SKA科学概念诞生伊始,中科院便参与其中.并且于1994年提出,在贵州众多喀斯特洼地群,建设大射电望远镜阵列――KARST.随后,北京天文台提出,建设KARST的先导项目500米口径的反射面射电望远镜,即：FAST,它可以独立于SKA开展射电天文观测. 中国在2004年也一度提出,以FAST申请SKA.虽然它的口径将是世界第一,但是它是单孔径望远镜,属于小视场高灵敏度望远镜.视场大小和灵敏度高低,在技术上只能取一头,中国和澳大利亚在技术路径上就截然不同.

因此,当国际射电天文界明确,大数量小口径的组阵为SKA工程概念的优选方案；并且将其工作频率上限提高3倍、阵列基线长度扩大10倍时,中国方案就被淘汰出局了.

同时,考虑到最终确立的两个台址都在南半球,而中国处在北半球,共视天区有限,难以完成SKA预定的射电巡天范围.FAST也就不再是SKA的一部分.

不过,此时恰逢央企频频试水走出去,在海外进行工程承包,科学工程亦在其中.54所对南非和澳大利亚的探路者项目,都显示出极大的热情.但是它在天文领域经验不足,便找到了国家天文台.不到半年,双方就在2010年1月成立了联合实验室,参与SKA科学工程包联盟.

54所顺利建成澳大利亚项目之时,国务院授权科技部代表中国加入SKA建设准备阶段,并组成部际协调小组.然而,就在政治意愿和组织构架均成体系之时,中国射电天文学的人才和技术储备不足的问题便凸显出来.“我们不能给SKA投了钱,但没人会用.”彭勃说.

现在,中科院联合国电天文学界,起草中国的SKA国家研究战略报告,从而申请SKA国家财政专项.这笔资金预计将达20亿元至30亿元,将用于在中国建造SKA验证系统、SKA大数据中心以及学科团队建设.

南非和中国这两个发展中国家积极参与SKA,亦是希望以此拉动各自在天文、技术、工程和制造业水平的跨越式发展.

据多位接近政策人士向《财经》记者透露,这项国际大科学工程,也是每年金砖峰会领导人在科技合作问题上的必谈话题.

若相关成员国的政府科研资金到位,兴奋的不仅是学术界,更是产业界.除了无线电、卫星通讯行业,Intel、IBM以及AMD等芯片生产商,均把目光盯在SKA身上.甚至,Intel已经与南非SKA项目合作,开发教育用途的低成本、低能耗的小型个人电脑――Egg Box PC项目.

“我们看中的是整个信息行业.”南非SKA项目的商业开发经理卡拉（Carla Sharpe）对《财经》记者说,“单单是全球智能城市建设,就在2010年带来了1000亿美元的市场.你可以想象,SKA光是把信息传输这一项分支技术,落地为非洲的大数据产业,就能带来多少市场空间?”

不论各成员国在SKA的谈判中,如何明争暗斗,正如SKA董事会主席沃莫尔斯利（John Womersley）所说：“赢者,是科学.”