——写在2009国际天文年
文/陈建生
导语：天文学始终处在科学的前沿，对历代几乎所有文化都做出了重大贡献。望远镜彻底改变了我们的宇宙观！望远镜第一次观测星空作为国际天文年的里程碑事件确实当之无愧。积极参与国际天文合作，参加大型天文望远镜合作，投身到回答人类共同关心的基本问题，也是中国天文学家通过自身的科学活动，为人类和平事业做贡献的主要方式之一。
今年是人类使用望远镜探索宇宙400周年，联合国决议把2009年定为国际天文年。全世界100多个国家和地区要参加国际天文年的活动。
人们自然要问：联合国为什么要设立国际天文年？天文学对人类社会进步发挥了怎样重大的、不可替代的作用？国际天文年为什么选择望远镜使用于天文观测作为这一重大活动的标志性纪念对象？
天文学的历史地位
关于天文学的历史地位，国际天文联合会在宣布2009年国际天文年时，高度概括地回答了这个问题：
天文学是历史最悠久的科学，它对历代几乎所有文化都做出了重大贡献。
我们如何理解天文学“对历代几乎所有文化都做出了重大贡献”这一结论呢？
自有人类就有观天活动。最初的观天并不是一种科学活动，而是启蒙时期的文化。每当夜幕降临，天空布满闪烁的星星，星空下任何一个角落的人群，都可以翘首望天。远古时代，虽然人类对宇宙的规律知之甚少，却不能抑制对美丽星空的遐想；星星在天空固定排列的图案，给了人类无限的想象空间，使他们编织出众多的神话故事。这是人类最早创造的神话文化，她出现在文学、艺术、宗教等领域，也渗透到建筑美学中，既表达对宇宙的和谐与美的向往，也反映了对神灵的崇拜与敬畏。天文学的发展史是科学与文化的交融史。宇宙的神秘能激发人类探索的好奇心，宇宙的和谐与美能净化人类的心灵。屈原的《天问》表达了人类的好奇与求索，温家宝总理的诗歌《仰望星空》抒发了人生的感悟与情操的升华。天文学是富有浪漫色彩的观测科学。
天文学又是推动人类宇宙观念发展的科学。任何一次对宇宙认识的飞跃都要伴随一次思想革命。始于16世纪的地心说与日心说的争论，不是不同学说之间的一般科学辩论，而是一场宇宙观的深刻思想革命，也是一次反抗神权的严酷政治斗争。日心说的胜利是关于人在宇宙中地位的第一次认识上的飞跃：人类所生存的地球并不是宇宙的中心。随着天文学的发展，20世纪初人类进一步认识到，太阳所在的银河系也不是宇宙的中心；20世纪中叶宇宙微波背景辐射的发现，证明了宇宙是根本没有中心的最平等的世界！人在宇宙中没有优越的地位！这些发现激发了人类去寻找别的星球上是否有生命和智慧，并已经在太阳系外找到了300多个行星或行星系统，为寻找地外生命和智慧迈出了坚实的第一步。伴随着宇宙观的进步，激烈的思想斗争从来没有停止过。最近一次是发生在20世纪中叶关于大爆炸宇宙学的斗争。这个经过观测检验的关于宇宙的最新学说在世界的一些地方被斥为反动学说而遭到封杀。与16世纪不同的是，这次充当罗马神权的却是前苏联的所谓“左派”和中国的四人帮。
天文学让我们更深地热爱人类的家园——地球。她告诉我们，虽然宇宙处处平等，地球不是宇宙中心，但地球在宇宙这个大家庭里却拥有适合生命繁衍的一切元素，包括它的质量、密度、与太阳的距离、近似的圆轨道、倾斜的自转轴等等，使得这个星球拥有一年四季适合生命的环境。在茫茫宇宙中拥有这么多适合生命的元素的星球虽然不会仅是地球，但也一定极其罕有珍贵。天文学还告诉我们，离我们最近的“太阳系”也已是几个光年之遥，人类要迁移到别的星球几乎完全不可能，人类要延续自己，就必须爱护地球！
天文学从诞生开始就与社会生产息息相关，观天是人类最早指导生产实践的科学活动。与人类结束以采集和狩猎为生，进步到以种植为生的农业社会的同时，人类也逐步掌握了恒星背景在天穹的周年更替，及其与地球上季节变化的关系，这些知识指导农业什么时候播种与收获。没有天文学为航海导航，就没有海上商业贸易的兴起和新大陆的发现。今天空间时代的全球定位(GPS)、卫星定轨、导航及空间安全期预报都离不开天文学。天文学发现的最遥远天体成为宇宙中最精确的惯性坐标系，它是高精度大地测量、研究大陆漂移所必须的参考系。对太阳能量来源的思考，启发了核能概念……
时间和空间是物质存在与运动的形式，人类一切活动都离不开时间。天文学始终担负着人类的时间服务，天文学渗透到人类生活的每一个时刻！
天文学是近代科学革命的摇篮，牛顿力学的诞生是人类第一次对自然界的认识从经验到理论的飞跃，太阳系的行星运动是牛顿力学最好的天然实验室，从而诞生了万有引力定律——第一个被人类完整揭示的物质基本相互作用规律。
天文学之所以始终站在自然科学的前沿，是因为她研究的对象是我们的宇宙，宇宙是一切形态的物质及其运动的总和。其时空之广延，形态之多样，变化之剧烈，条件之极端是地球上任何人造实验室无法达到的。宇宙空间的尺度跨越1041量级，重子密度跨越1043量级，温度跨越1032量级。其物质形式多样化，今天已发现有重子物质、暗物质和暗能量，我们日常所熟识的重子物质只占3%。因此宇宙是多学科前沿研究的实验室：
宇宙是最理想的引力实验室。引力和电磁力都是长程力，但引力强度只及电磁力的1万亿亿亿亿分之一，宇宙的电中性和巨大的质量使得引力成为主宰宇宙最重要的力。太阳系的行星运动是理想的牛顿力学实验室，而中子星、黑洞，以及整个宇宙则是检验爱因斯坦引力理论的理想实验室。
早期宇宙是地球永远也达不到的高能实验室。爱因斯坦一生所追求的基本相互作用的统一理论可能只有在宇宙早期才能得到检验和应用。
宇宙到处是等离子体。太阳是最近的恒星，它内部的高温是核聚变最好的实验室。地球上只有到20世纪中叶才实现核聚变，而太阳上的核聚变在50亿年前就已存在，太阳上的黑子、耀斑、日珥都是地球上难以复制的等离子现象。
宇宙中提供的超高密度、超稀薄真空、超强磁场、超低温和超高温等，都是极端物理实验室条件。
天文学不断地发现新现象，也不断地向我们提出挑战。最近新发现的宇宙暗物质和暗能量就向当代物理学提出了尖锐的挑战，它可能孕育着新的物理学革命。
宇宙是最大的化工厂。它制造了地球上几乎所有的化学元素，并由这些元素产生出各种无机分子和有机分子。
宇宙也是生命起源与演化实验室。生命是在宇宙的条件下从无生物产生、演化出来的。宇宙是唯一能提供生命发生的环境，回答有多少种生命形式、有多少种生命演化模式的天然实验室。
人类是在宇宙演化进程中诞生的，人类在研究宇宙的同时，也认识到人类自身，认识到人类在宇宙中的地位，爱因斯坦说：“宇宙最不可理解的事情是宇宙可以理解。”这是人类的骄傲。宇宙虽然可以理解，但又永远不能穷尽理解，这是宇宙的魅力，是激励人类求知的动力和推动人类进步的源泉之一。
望远镜的历史地位
国际天文年选在2009年，是为了纪念400年前人类第一次使用望远镜观测星空。天文学有许多重大发现，包括若干获得诺贝尔奖的天文发现，都没有选作国际天文年的标志性纪念事件，可见望远镜的发明与应用对人类文明的进步是何等地重要！
望远镜是人眼睛的延长。从四川省广汉市鸭子河畔的三星堆遗址发掘出来3000年前图腾似的青铜器造型中，我们惊叹于炎黄祖先对眼睛神力的崇拜，和延长眼力的愿望，其造型酷似今天的双筒望远镜。
如果没有望远镜，人类只能看到太阳、月亮和天上最亮的星星。伽利略第一次用望远镜看到月球环形山和木星卫星，看到银河是由无数密密麻麻的恒星组成。新发现推动人类去发明威力更大的望远镜，反过来又让人类看到更遥远、更奇妙的宇宙！400年来，望远镜的发展与人类对宇宙认识的进步互相促进，每一次望远镜能力的提高，都会刷新我们对宇宙的认识。天文学就是依靠不断提高威力的望远镜，不断深化对宇宙的了解，从而不断对社会进步做出贡献！这个过程是无限的。今天光学望远镜使我们可以分辨出月球上一个硬币的厚度，看到火柴的亮光。
100年前，我们还以为银河系就是整个宇宙，今天我们却知道宇宙是由数千亿个像银河系这样的星系组成的，它们源自大约137亿年的宇宙大爆炸。100年前，我们完全不知道太阳系以外还会有别的行星系统，今天我们已经知道数以百计这样的“太阳系”，并开始去了解最初的生命是如何诞生的……
人的眼睛是很精密的光学仪器。它由三部分组成：眼球、视网膜和大脑。眼球接收光子并成像到视网膜上，视网膜是接收器，大脑进行存储和分析。但人眼也有严重的局限：人的瞳孔大小(决定能看到多暗的对象)不可能超过几个毫米，因而不可能看到遥远的天体(越远越暗)，人的视网膜只感觉可见光，而大脑的记忆是模糊的，带有主观性，难于定量并且会遗忘。作为眼睛延长的望远镜也是由这三部分组成：镜片接收光子并成像、接收器接收图像信息、计算机存储并分析信息。
400年来望远镜在这三方面的能力有了巨大的进步，经历了几个重要的飞跃：
第一个飞跃是光学望远镜突破口径大小的限制。薄镜面、拼接镜面和主动光学技术克服了制造大口径光学望远镜的困难，世界上已建成的单架光学望远镜的口径已达10米，并正在研制口径40米的望远镜。
第二个飞跃是单口径望远镜发展为望远镜阵。把望远镜接收光子的功能与成像功能分开是望远镜制造概念的一次重大突破。传统的光学望远镜的物镜既接收光子又进行成像。光的波动说揭示了成像的本质：来自物镜各个子孔径的电磁波在物理空间进行干涉，如果彼此相位正确，就会成像。各个子孔径的正确相位是靠物镜的面形来保证的。新的成像方法是把各个子孔径接收到的电磁波及其需要补偿的相位信息输入到计算机，通过计算机进行成像，从而实现小望远镜阵合成大望远镜。这个技术首先用在射电综合孔径望远镜，现在地球上远隔几千千米，甚至分处地面与空间的子孔径接收到的电磁波都可以在计算机上成像。把望远镜接收光子的功能与成像功能分开，也就把望远镜最重要的两个性能：灵敏度与分辨本领分开。灵敏度由接收面积决定，分辨本领由子孔径间最长基线决定。在传统光学望远镜里，这两个参数绑在一起，都由口径大小D决定：灵敏度正比于D2，分辨本领正比于D，因而分辨本领的提高便受到口径的限制。而干涉仪可以在子孔径总面积相同的条件下，通过延长它们之间的基线，极大地提高分辨本领。这种技术现在也应用到光学望远镜上。
第三个飞跃是接收器的突破。照相底片代替视网膜是第一次突破，它摆脱了人眼的主观性，能客观地记录图像；它可以累积曝光时间提高灵敏度；它记录的图像便于保存。但照相底片也有动态范围小、探测效率低等不足。以CCD为代表的数字化探测器不仅效率提高几十倍，而且线性好，便于进行计算机图像处理。
第四个飞跃是从单一可见光波段望远镜向全电磁波段望远镜的发展。由于半导体与电子学的进步，制造出探测不同电磁波段的接收器，首先从可见光发展到射电波段，再发展到紫外、红外、X射线及伽马射线，进入全电磁波段天文时代。
第五个飞跃是分析器，包括光谱仪和偏振计等的应用。天体光谱和偏振是分析天体的物理、化学性质及其运动状态的最有效手段。
第六个飞跃是从地面望远镜到空间望远镜，突破地球大气的干扰。自适应光学只能克服大气抖动的影响，且有局限性。20世纪开启了空间时代，空间科学与技术得到迅速发展，人类把望远镜送到大气外，彻底摆脱大气吸收、散射和扰动的影响。
第七个飞跃是望远镜概念的进一步发展。从接收电磁波扩展到接收一切来自宇宙的信息，包括中微子和其它宇宙线粒子，以及正在探索的引力波。望远镜概念从外形到内涵的一系列发展，不断地提高人类探测宇宙的能力。
第八个飞跃是计算机的全面应用。计算机在望远镜和接收器自动化控制、主动光学、自适应光学、数据采集、存储与传输、傅立叶成像、数据分析等方面的应用，是实现望远镜革命的必要条件！全新概念的虚拟天文台完全建立在数据库和计算机网络技术上。
望远镜彻底改变了我们的宇宙观！把望远镜第一次观测星空作为国际天文年的里程碑事件确实是当之无愧的。
望远镜既是观测宇宙的工具，本身也是高新技术的结晶。人类认识宇宙无止境的追求，也是对望远镜威力的无止境的追求！望远镜口径的从小到大，从单一光波到全电磁波段，从地面到空间，每一次飞跃都是最新高技术的集成。现代望远镜已成为当今世界工业界与技术界的骄傲，当这些巨无霸望远镜，如此灵巧、精确地对准天空，不断将宇宙最深处的微弱信息传回地面，绘画出宇宙一幅又一幅的美妙图像，人类是如何惊叹于自己的创造力！一代又一代望远镜对高新技术及巨型精密仪器制造工业提出的一个又一个挑战，以及自身研制过程中所开发的新技术都是对高科技和制造业的重大贡献！
中国天文学 继往开来
我国天文学曾有过辉煌的过去。我国有世界上最古老、丰富的日食、彗星、新星等天象纪录，有浑仪、简仪等精湛的古天文仪器，有张衡、郭守敬等驰名中外的天文学家。天文学始终是一个国家国力强盛与文明发达程度的象征。西方自文艺复兴以来，资本主义从萌芽、发展到发达，科学技术日益进步，社会生产力飞速发展，而中国还长期处在落后的封建社会，甚至沦为半殖民地半封建社会。社会落后、国力衰弱，中国天文学也就从领先地位沦落到远远地落后于西方发达国家。解放后，百废待兴，1958年中国天文界奋起追赶，提出建造“2.16米”光学望远镜计划，当时这一概念远东最大、超过日本。射电天文观测设备也从无到有。但随之而来的十年文化大革命浩劫，天文基础研究受到极大冲击，几乎瘫痪。粉碎四人帮后，我国的天文学也获得新生。改革开放三十年是我国天文发展的黄金时代。“2.16米”望远镜终于在1989年建成。我国还填补了毫米波与VLBI(甚长基线干涉仪)天文的空白，一批学者走出国门，逐渐融入国际天文社会。
进入21世纪，中国天文取得骄人的成绩。LAMOST的建成，是中国望远镜制造史上一件里程碑式的事件。中国掌握了当代望远镜制造的先进技术，并有所创新，建成世界上口径最大、光纤数最多的大视场光谱巡天望远镜。已经举行开工典礼的500米口径射电望远镜将是世界上最大的单口径射电望远镜。第一个空间天文探测硬X射线调制望远镜(HXMT)也已经启动研制。天文研究成果也逐渐被国际天文界重视。涌现一批优秀中青年人才，中国天文队伍完成更新换代。
过去三十年虽然是我国天文发展最好的时期，但过去三十年，国际天文从光学到射电、到高能，从地面到空间，发生了翻天覆地的变化。地面光学望远镜完成从4米级口径到10米级的跨越，一批10米级望远镜建在优质台址，射电望远镜向毫米与亚毫米波段扩展，并正在建设巨型毫米波与亚毫米波望远镜ALMA。空基天文发展尤其迅速，以哈勃空间望远镜为代表的一批耗资十亿美元级的大型天文卫星先后工作，覆盖了从微波、红外、光学、紫外、X射线到伽马射线整个电磁波段。即将建成的还有：地面的一平方千米接收面积的射电望远镜，以及以口径6米空间光学/红外詹姆斯•韦伯空间望远镜、星座-X射线望远镜、空间光学干涉仪为代表的下一代空间设备。现在美、欧等国家和地区正在计划建造口径30米～40米级地面光学/红外望远镜，并在制定下一个十年天文发展规划。从过去十年国际天文发展速度，可以预测下一个十年的发展计划一定更加宏伟。我国与世界先进国家天文研究的差距不是在缩小，而是不断加大！
过去三十年我国经济发展取得举世瞩目的成就，国民生产总值已跃居世界第三位，为什么我国天文与国际水平的差距越来越大？投入不足是一个原因，但体制上的障碍可能更重要。我国经济发展完全归功于邓小平的改革开放方针。和经济领域相比，我国在基础科学方面的开放程度就差得很远。在经济领域，我国可以参股、控股国际大企业，可以走出去、请进来办经济。而在天文学研究领域，上面提到的国际大型天文观测设备，中国一项也没有参加。也鲜有国外天文机构直接参加中国主导的大型天文观测设备的建设。
今天的天文观测设备已和三十年前在规模上有本质的区别。三十年前的天文观测设备可以靠一国之力完成。今天的大型天文观测设备，其造价之昂贵、技术之先进、系统之复杂、台址(地面设备)要求之苛刻，已非一国之力所能达成。甚至，其获得的海量科学数据的分析与研究，也非一个国家的科学家所能完成，需要各国科学家共同开发、使用。上面所列举的几个地面与空间设备几乎无一不是国际大联合、大合作的结果。但中国却完全游离在外。连中国台湾都参加了ALMA计划。其后果是，中国以一个发展中国家的国力(包括经济力、技术力、工业水平和人才等)去和美国、欧洲、日本等世界超级大国、先进国家与发达国家的联合体进行竞争。这种格局如不改变，我国天文水平与世界的差距只能越来越大。中国天文事业的发展必须走国际化道路，必须融入国际合作的大潮流，在合作中竞争，在竞争中合作，在合作与竞争中发挥我们的才干。当然，以目前中国的国力，虽然已是经济大国，但还不是经济强国，因此必须有选择地参加国际天文大型设备，既可以是以我为主导，吸收国际参加，也可以国外主导，我国参加，但都必须贯彻有所为、有所不为的方针，必须平等互惠，必须最有效地提升我国科学与技术的水平，必须能发挥我国科技人才的创造力，必须以设备研发与制造入股，并带动我国高技术及制造技术的发展。
最近我国天文界向国家推荐了两个天文项目，即建设南极天文台和参加国际30米级的巨型光学望远镜，可以作为这两种国际合作模式的例子。
我国已在南极最高点冰穹A建立昆仑站，它很可能是地面上最好的天文观测台址。抓住这一宝贵的机遇，在南极建设天文台，将有可能发展为以我国为主导的国际天文台。
目前国际上正在筹集建设口径30米级的地面巨型光学/红外望远镜的资金，积极邀请中国参加，这是本世纪难得的一次机会。我国国力的不断增强，天文科学、技术水平与工业制造能力的不断提高，已经具备参与国际合作与研制的能力。中国天文要越过8米级口径光学望远镜，实现跨越式发展，直接参与国际30米级大望远镜计划。
空基天文必然是21世纪最重要的天文发展方向。我国已经是国际空间大国，已经具备发展空间天文的实力，但我国空基天文观测仍然是一片空白。我国空间科技发展的布局、体制与机制还难以使我国成为空间天文大国。随着我国空间实力进一步增强，体制更加完善，独立发展我国空基天文或者参加国际空间天文合作的机遇越来越大，中国天文界应当做好中国空间天文大发展的准备，包括科学目标，空间项目方案及相关空间技术预研等。机会总是给有准备的人。
我国天文人才在质和量方面都远不能满足中国天文事业发展的需要。仅美国Sloan巡天这样一个项目投入的人才，就几乎相当于我国全部的天文人才，而Sloan巡天仅是美国众多项目中一个规模及投资都不大的项目。我国天文队伍分布也不合理，主要集中在中国科学院各天文台。我国天文队伍数量严重不足的问题，不可能仅靠中科院天文台增加编制来解决。我国大学天文事业有很大潜力。目前只有极少数大学设有天文学科，发展空间很大。只要逐步、坚定地扩大我国大学天文科研与教育的规模，就能根本解决我国天文队伍人才严重匮乏的问题。合理的布局应当是：科学院天文研究机构以建设、发展和运转国家级大型观测设备为主，天文课题研究应当散布在各个大学，与人才培养结合起来。要呼吁全社会关心天文教育事业，要充分利用国际天文年这一次全球性动员活动，把我国天文普及与教育提高到一个新水平。解决质的问题要有一个过程。当前要加大高层次天文人才的引进与培养，随着我国国力的增强，人民生活提高到国际发达水平，我国科研队伍的结构与组成也要与国际接轨，也要从全世界招聘优秀人才。
我们对中国天文事业的发展充满信心，我们坚信在不久的将来中国天文一定有一个实质性的飞跃，从现在跟踪发展到创新突破，并进入国际天文大国、强国的行列。
最后当我们参加全球庆祝国际天文年的时候，还要记住天文学的和平使命，国际天文联合会宣告书中写道：
2009国际天文年是自伽利略第一次使用望远镜以来天文观测飞跃发展的永恒纪念。她塑造了天文学致力于全球和平事业的形象。她把天文学家团结在国际多元文化的科学家大家庭里，协同工作去回答人类渴望知道的一些最基本的问题。
因此积极参与国际天文合作，参加大型天文望远镜合作，投身到回答人类共同关心的基本问题，也是中国天文学家通过自身的科学活动，为人类和平事业做贡献的主要方式之一。
(责任编辑：吴蕴豪)
