李沛:这条诺贝尔奖快车道，将迈向中国人引领话语权的“北京时间”|2021-01-09

2020年10月6日，瑞典皇家科学院宣布，来自德国和美国的两位天体物理学家因其对银河系中心超大质量致密天体的发现，获得了诺贝尔物理学奖这一至高荣誉。

连同此前分别在2019年和2017年系外行星、引力波两大发现的获奖，在最近的四年里，诺贝尔物理学奖已经有三次颁给了天文领域研究者，不但打破了物理学奖此前在不同研究领域轮流授奖“利益均沾”的潜规则，也标志着天体物理学后来居上，有赶超粒子物理、凝固态物理、原子与光物理三大传统得奖“大户”之势，俨然成为了当今物理学前沿研究功成名就的“快车道”。

（诺贝尔物理学奖授奖领域“势力”分布，天体物理学正在快速崛起）

诚如法兰克福高等研究院学者萨宾·霍森菲尔德所言，物理学理论研究日益形成对粒子对撞机等大装置的依赖，而大科学装置的超高成本决定了其无法被充分使用，难以有效验证理论，缺少突破性成果又反过来恶化了大科学装置的投入产出效益，这种恶性循环是过去数十年基础物理研究“乏善可陈”的重要原因，却也为天体物理学的崛起奠定了基础，相比于越来越难企及的人造高能物理环境，宇宙中的自然物理现象仍有大量的“处女地”有待研究，而在宇宙环境中的一些理论模型验证也远比地上装置更具性价比，这些因素决定了，天体物理学有望在相当长时期内继续保持热门地位。

要进行天体物理学研究，观察研究对象—宇宙的工具当然必不可少，对于地球上的观察者而言，由于大气层的存在，来自宇宙的电磁波大部分都会被反射、吸收、散射，难以到达地表，仅在可见光、红外线和微波等少数频段存在高透射率的“大气窗口”，其中微波范围的窗口又最为“宽阔”，理所当然地，接收微波地外信号的射电望远镜就成为天体物理学最重要的研究工具。

（从微波到伽马射线的电磁波频谱）

大部分射电望远镜，小到天文爱好者DIY作品，大到500米直径的“中国天眼”FAST，形状都像是一口炒锅，这正是微波天线的经典设计，用以尽最大可能汇聚异常微弱的天文信号，要知道，根据学者统计，全世界射电望远镜迄今为止接受到的地外信号总能量还不及一片雪花掉落地面，或常人一次眨眼的消耗。

射电望远镜微波信号收发的强大能力，使其在天体物理研究之外，往往还兼具其他用途，最有现实意义的无疑是深空航天测控，例如在即将抵达火星的天问一号任务中，地面主控中心对相隔数亿公里的飞船轨道，就主要是通过国内几大射电天文望远镜组成的VLBI阵列进行测量，大幅提高了中国航天的深空轨测定位能力。

如果要论射电望远镜的用途中最“文艺”的那部分，则非地外文明搜索（SETI）莫属，在刘慈欣巨作《三体》系列中，著名的红岸基地主体，就是一具配备超大功率发射机的射电望远镜，根据书中设定，在文革后也被移交给了中科院天文所，用于射电天文研究，反派主角叶文洁正是使用这一设备，于1971年向邻近星系广播了来自地球的第一条信息，并在8年后收到了三体世界的回信，就此开启了书中雄奇的太空史诗。

在真实历史上，随着美苏太空竞赛的展开，初入宇宙的人类如同好奇宝宝，对于全新的世界产生了许多浪漫化的奔放想象，两大阵营科学家不约而同提出了搜寻外星文明的设想，要实现与外星文明的友好接触，彰显自身的制度优越性和人类文明代表形象，波兰作家斯坦尼斯拉夫·莱姆的小说《麦哲伦星云》就集中反映了这种时代情绪，小说中的公元32世纪，实现共产主义并移居整个太阳系的人类，开始了向其他星系的探险，在半人马座比邻星系，他们遇到了漂流至此的上古美帝国主义军事卫星，也发现了一颗行星上存在着外星文明，尽管经历了最初的误解和攻击，但共产主义接班人们锲而不舍的沟通努力，仍然最终实现了与这一文明的和平接触，以《麦哲伦星云》为蓝本改编的科幻电影《宇宙尽头之旅》，被认为深深影响了六七十年代的美国科幻作品如《2001太空漫游》和《星际迷航》。

（宇宙尽头之旅，又名伊卡里亚XB-1，曾引入欧美市场上映，对其后的美国太空科幻作品产生了深刻影响）

1960年11月，苏联科学家利用大型射电望远镜，向金星方向发送了意为“和平”、“列宁”、“苏联”的摩尔斯无线电码，验证了向宇宙广播信息的可行性，由于发射能力的限制，直到1974年，才由美国的巨型射电望远镜阿雷西博正式实现了这一设想，这份一千余个0和1字符组成的电磁波“漂流瓶”，包含了DNA结构、太阳系组成等信息，将在250个世纪后抵达其广播目标—武仙座球状星团，同一时期，美国还先后发射了从先驱者10号到旅行者2号的一系列高速探测器，携带着地球人类的自我介绍，以第三宇宙速度奔向星际空间。

（1960年苏联发射的星际微波信号图解）

随着七十年代末美国金融资本的复兴，收入不平等开始抬头，社会气氛也为之一变，70年代短暂的主动SETI热潮很快熄火，相比在浩渺宇宙中主动接触，被动搜索，也就是接收射电天文信号并搜索其中的智慧生物信息，被视为是更具可行性的一条地外文明搜索（SETI）路径，上世纪八十年代后，以SETI研究所的成立为标志，欧美地外文明搜索开始洗脱“民科”亚文化色彩，逐渐成为一个运作规范，得到稳定资助和推动的科学议程，1999年，加州大学伯克利分校空间科学实验室正式推出了“SETI@home”项目，汇集能够上网的个人电脑闲置算力，聚沙成塔，用以处理阿雷西博望远镜接收到的巨量射电天文信号，从中筛查可能的地外文明信息，毫不奇怪，SETI@home“有心栽花”的外星文明搜索最终一无所获，但作为互联网泡沫（dot-com bubble）时代最为著名和成功的科学互动项目，却“无心插柳”大大推动了分布式计算和点对点网络等重要技术的发展。

上面多次谈到的阿雷西博望远镜相信您也不会感到陌生，没错，上个月这一大科学装置极具视觉冲击力的垮塌时刻，在国内外社交媒体已经被反复刷屏。

这座贡献过诺贝尔奖成果、曾经世界最大的单体射电望远镜在“死亡”之前，已经经历了十五年的漫长“临终”煎熬，其间的波折，颇能体现美国科学界如今的生态。

2005年，阿雷西博望远镜主要的运行经费资助者—美国国家科学基金（NSF）成立了高级评估委员会，审查美国天文观测设施存废，正式提出了削减阿雷西博运行经费，在2011年前后将之退役拆除的建议，以将经费和人力集中到能力换代的平方公里射电阵列（SKA）上，殊不知人算不如天算，金融危机后囊中羞涩的美国人，不得不在2011年实质性退出了SKA项目，阿雷西博又从老不死变成了老来伴，高级评估委员会新报告一顿科学论证，阿雷西博拆除成本高达8000万美元，远高于每年运行经费，还是继续保留吧。

（除了对阿雷西博等老旧大科学装置的嫌弃，NSF在天文领域的研究资金资助也日益吝啬，科研项目申请资助的通过率不断刷新低点）

虽然阿雷西博挺过了第一张病危通知，但NSF逐渐抽身的基调已然奠定，2011年后，NSF不断试图把利益相关方，也就是各个大学和民间机构拉进来凑份子，补上NSF退出留下的经费缺口，然而作为用户单位的大学，别看在退役设备时万般不舍，强烈抗议NSF决定，充分表现着学术共同体的良心，可一旦需要自己贴出真金白银来，那就全然是另一种算计了。

在年复一年的撤资威胁后，直到2018年，NSF正式与中佛罗里达大学为首的三大联合运营方敲定了过渡框架，NSF对阿雷西博的资助逐年递减，直至2024财年后清零，该设施的所有权将完全交接给联合体，看起来阿雷西博又重获新生了，然而很快就被证明是濒死前的回光返照。

新的联合体接手后，阿雷西博望远镜一百多人的全职运维团队相当于集体从公务员变成了企业雇工，待遇明显缩水，日常管理中，三个东家也各有诉求，推诿扯皮莫衷一是，团队内部形成了三个分裂的山头，士气和工作效率一落千丈，有点路子的能人纷纷选择“跳船”，阿雷西博望远镜多年来维护不足的亚健康状态也开始急剧恶化。

在“过渡”短短两年之后，阿雷西博望远镜最终以一种决绝而壮观的方式完成了漫长的告别，让还在热身，正准备就如何“受控拆解”好好掰扯一番的NSF和运营方措手不及。

阿雷西博在这样一个时间点上这样一种方式的告别，似乎也成为美国国势的某种象征和隐喻。

（一位美国天文学家对阿雷西博崩塌与美国科学界状况的深沉感触）

天体物理学可能将是相当长时期内获取诺贝尔物理学奖的“快车道”，然而在这条车道上，美国的领先地位却在不断稀释，这不仅是由于阿雷西博所折射的那些美国科研机构官僚化生态，在个体研究者的微观层面，学术生态恶化也同样明显。

高校研究生和青年教师（青椒）是经常能够获得国内媒体关注的群体，公众也非常关心这一群体所面对的困难，乐于讨论有关人尽其才的解决方案，其实在美国，年轻学者进入学术圈同样艰难，甚至较国内犹有过之。

对应国内各种SCI发文之类的高校学者考核压力，在欧美学术界也有着“发表或走人”（Publish or Perish）的俚语形容类似的现象，比国内更残酷的是，欧美学术界规模和梯队往往已经定型多年，很多领域学术研究的职位增量近乎为零，只能指望每年退休或中途退出的存量周转来完成新陈代谢，但这个周转率却可能低得惊人。

（美国物理学会对天文领域教职“周转率”的一项调查数据）

以美国物理学会对北美天文学学术共同体的追踪，天文学领域教职的年度“周转率”甚至能够低到2%以下，足够把所有教职填满三四遍的博士存量，和50年才能够代谢一轮的学术岗位存量，形成了一对难以调和的矛盾，所谓的内卷在所难免，某些欧美学术领域的内卷程度，已经是博士后、助教、非研究类教工等阶梯都无法纾解，不得不祭出“博士前”（predoctoral）概念，再把学术研究“学徒期”拉长几年。

与这种存量博弈的生态相伴，美国学术界也越来越显示出学阀化倾向，岗位、经费等宝贵资源向少数学界头面人物集中，研究方向也必然依赖于这少数明星学者，中青年研究者的新想法新思路难以得到支持，根据对NSF科研资金分配情况的研究，哪怕是生命科学这样相对容易“出成果”的热门显学，90年代后科研资金也越来越显示出向高龄学者集中的现象，五六十岁功成名就的“老人”树大根深，汲取着最丰富的科研资源，而四十岁以下的青椒“新人”则面临着先有鸡还是先有蛋的问题，没资源导致没成果，没成果导致没资源，在这样的循环中苦苦煎熬。

（科研经费日益向功成名就的少数“老人”集中）

在这样的生态下，过去的十年里，各大研究领域美国学者的影响力已经出现了肉眼可见的下滑，如果说论文发表或论文高引还能够用别人在“注水”来解释，在最权威、最“硬核”的诺贝尔物理学奖得主名单上，2001-2010的十年里，美籍获奖者还能占据一半以上，而到了2011-2020年，诺贝尔物理学奖得主中美国籍的比例已经跌到了一半以下，是二战后美国物理学界最“黯淡”的一个十年，考虑到诺贝尔物理学奖评奖成果的时滞，美国学术圈霸主地位的稀释可能才刚刚开始。

（美国学者在许多重要研究领域的影响力已经开始下滑）

与美国基础研究霸主地位下滑相对的，则是大科学研究的国际化、多极化潮流。

无论是耗资巨大的超级科学装置、大型研究计划，还是具体而微的中青年学者出人头地，在单一国家已无力提供充足资源的情况下，非常自然地就会走向大家凑份子一起搞的发展路径。

然而要跻身这个“国际化”潮流，却也不是轻而易举的事情，世界级标准的设施、人才、资金，是国际主流学术共同体的基本入场券，天体物理学领域也不例外。

上个星期，中科院正式对外宣布，将正式向全球科学界开放中国天眼—FAST射电望远镜，FAST的发展史，其实同样是中国人拿到天体物理国际学术圈“入场券”的奋斗史。

90年代，在国际天文学界提出划时代的平方公里射电阵列（SKA）设想后，中国人第一时间就开始筹划如何搭上这趟快车，在当时的国际学术圈，中国人还没有“能见度”可言，无论是观测设施还是研究成果，距离国际前沿都有遥远的距离。

即便如此，敢想敢干的南仁东等中国学者，仍然很快提出了自己的SKA方案，设想将中国贵州地区作为SKA观测基地，利用当地喀斯特地貌的有利条件，布置数十个200米以上直径的大型球反射面射电望远镜，通过基线干涉方式达到SKA性能要求，这一中国方案被巧妙地命名为平方公里射电合成望远镜（KARST），其英文缩写正对应着喀斯特地貌的特征。

（KARST阵列初始设计）

尽管大盘子小数量的KARST方案在SKA论证过程中败给了南非、澳大利亚小盘子大数量布阵方案，但通过KARST的牵引，国内天文学界获得了难得的政策和资金支持，作为KARST关键技术预研成果落地的载体，也是下一步SKA工程的探路者项目，世界最大的单体射电天文设施，500米口径球面射电望远镜—FAST于2011年正式启动建设，FAST开工、建成、调试、验收乃至正式向国际学界开放的这十年，牵引带动了一大批科研院所和配套厂家的技术能力提升，例如FAST核心设备馈源舱的研制方，中国电科54所，相关技术成果在天基遥感等“杀手锏”项目中已经得到了应用，FAST工程中攻关突破的高强度钢索，在其后的港珠澳大桥等超级工程建设中也发挥了作用。

这十年来的技术、资金和前沿观测资料保障，也使中国天文学界在国际学术共同体中飞快崛起，能够有资格在国际顶级学术圈讨论对等合作的十年。

作为十三五时期规划的四大国际科学合作项目之一，平方公里阵SKA计划在今年正式开工建设，其将以空前的布阵规模、实现空前的射电望远镜等效天线尺寸，以及空前的射电天文信号探测能力，按照学者的预期，SKA有希望探测到宇宙大爆炸后最早的电磁辐射信号，得以窥探氢原子成型的宇宙“初光时代”图景。

随着能力的快速提高，中国人在SKA项目中已经开始担当核心角色。

SKA项目中最具视觉代表性的中频段射电信号接收天线，就是由FAST项目中崭露头角的中国电科54所提供，以最佳的性能和最低的成本，成为SKA中频天线的唯一供应商，SKA建成后的海量观测数据分析处理，中国的超算能力也将大显身手，设在上海的SKA全球数据处理中心在华为公司的技术支持下，通过专线与澳大利亚观测阵地直连，能够实现超高容量数据的低延迟传输和快速处理。

（全球独家供应的SKA中频射电天线）

在射电天文领域，中科院多年来也在稳步开展着“空间毫米波VLBI阵列”的关键技术准备，计划发射两颗射电信号观测卫星，配备人类迄今为止尺寸最大的空间微波接收天线，在远地点为60000km，近地点为1200km的大椭圆轨道运行，与FAST\SKA等巨型地面射电望远镜协同，组成超出地球尺度的超大观测阵列，获得微波频段空前的宇宙观测能力，能够实现对黑洞等致密天体的超高精细结构成像观测，探究黑洞的物理本质，精确估算中央黑洞质量，揭示活动星系核中央能源机制。

（空间射电望远镜阵列方案）

以摆脱了大气阻隔的太空环境为舞台，中科院等国内机构在电磁波各类频段，也已经提出了眼花缭乱的空间观测和应用方案，如“X射线时变与偏振探测”（XTP）、“太阳极轨成像望远镜”（SPORT）、“系外类地行星探测计划”（STEP）、“先进天基太阳天文台”（ASO-S）、“爱因斯坦探针”（EP），每一项几乎都瞄准了天体物理研究的最前沿“无人区”，中国人自己的超统一场理论提出者吴岳良院士，也在大力推动直接探测引力波的“太极”卫星星座建设。

如果说FAST和SKA，以及光学天文领域有望正式立项的12米光学红外望远镜，标志着中国已经成为国际天文学界多极化潮流中的“一极”，有希望拿出“不比别人差”的重大原创发现和研究成果，与其他国家同行竞逐诺贝尔奖，那么后SKA时代中国天文观测试验设施的宏伟蓝图，则可能决定性地把天体物理学研究，带入由中国人引领话语权的“北京时间”。