（通讯员  邓辉）

讲座题目：透视新科技——超级望远镜

主 持 人：胜  春

做客嘉宾：曹  臻，中国科学院高能物理研究所研究员。

          徐仁新，北京大学物理学院教授。

讲座时间：2024年10月21日～10月27日

（备注：讲座视频可循环播放）

https://article.xuexi.cn/articles/video/index.html?art_id=14385268975144157650&read_id=6b6f5dd6-56b3-460d-a027-63f45386a72c&ref_read_id=1aa42097-e32e-4928-a16a-322c5d161c34&reco_id=&mod_id=&cid=&source=share&study_style_id=video_default

透视新科技——超级望远镜

讲座内容：

各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目，我是主持人胜春。在中国四川稻城海拔4000多米的地方，科研人员建立起了一个大的科学装置，它是用来观测宇宙的，名字叫作LHAASO。早在今年（2021年）5月份还没有全面建成的时候，它就捕捉到了令世人瞩目的信息，那到底LHAASO看到了什么呢？通过短片，来进入我们今天的节目。2021年是中国高海拔宇宙线观测站LHAASO工程收官的关键一年，它位于我国四川省稻城县海拔4400米的海子山，占地足有1.36平方公里，由四种不同的探测阵列所组成，它也是目前世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的天文望远镜之一。在2021年5月17日LHAASO还未建成之际，科学家们就发布了两大重磅的科学新发现，他们发现了迄今为止人类观测到的最高能量的光子，以及首批超高能宇宙加速器。这两项重磅的科学新发现究竟意味着什么？LHAASO正探寻着哪些宇宙中的奥秘？这些奥秘又能为百姓带来哪些福祉呢？我们首先给大家介绍一下今天请来的两位嘉宾，他们分别是中国科学院高能物理研究所的研究员，高海拔宇宙线观测站的首席科学家曹臻，曹先生，欢迎您！另外一位是北京大学物理学院的教授徐仁新，欢迎您！

好像我们看到LHAASO跟我们印象当中的望远镜不太一样，这是为什么呢？大家知道光线就是一个光波过来，然后用望远镜去看它，这个是一个很正常的一个过程。为什么叫望远镜，还是用这个光线，追踪这个光子追到那个星球，那个星体是什么东西，它发出来这个光就像太阳发出来的光，我们看过去看到太阳在这儿，不在这儿。我们看这个东西也是一样的，就是通过这个光来了之后，如果能够汇聚到这个方向去，那个地方亮了，这个就是一个东西了。这就是我们观测的结果。所以它就是个望远镜，但是看到的光，它的能量并不太高，如果这个能量越来越高，高到一定程度，比如像X射线，甚至是伽马射线了之后，我们看到的就不再是一根线了，而是一个粒子，光就变成一个粒子。光这个粒子来到地面上来之后，就像我们的视网膜要成像，怎么看见光子？我就摆上一堆探测器，把这个光子进来，在大气里面形成一大堆东西，把它（接）收到，我就可以把这个光线给它找出来。我们看到的光就是可见光，比如说我们的灯什么的，但是有可以比可见光更高能的，比如说X射线、伽马射线，最高的就是曹老师做的这个非常高能的粒子和大气作用以后的次级粒子的探测，来观测极端的宇宙线。可以这样理解，它不是一个简单的望远镜，它是一个接收器，接收装置。刚才两位都提到一个词叫宇宙线，我们普通人的认知只有宇宙，宇宙线是什么？

当时发现宇宙线的时候，也叫作宇宙辐射，也是把它理解成像光，光就是一种辐射，后来就发现辐射这个东西好像不太准确，因为辐射往往就是光。而宇宙线这个概念已经超出了光的概念，它就是一些各种各样的粒子，那为什么还叫它线？那是从光线这个地方的线来的。光就是一条线，就是直线。宇宙线也是，但是它不是叫光线，就是一种线。宇宙线像一个人送了一封信过来一样，天文学上面把它称为“信使”。我们说宇宙没有最远，只有更远，当你眼睛不好的时候，你什么也看不见，你接收到的信息就非常少，不是说宇宙当中没有那么多非常剧烈的过程，只不过你眼睛看不见而己。我们要研究宇宙，我们当然要了解这些我们感兴趣的这些过程，它所带来的这些粒子，把它称为“信使”，对于“信使”的探测越来越灵敏，我们就会看到我们眼睛不好的时候看不到的东西，那么我们对于整个宇宙的理解就非常全面。“信使”这个比方是非常生动的，过去在宇宙当中可能飘了无数的信息，但是我们没有邮箱去接收它们。没错。今天我们相当于有了这样一个接收的东西，LHAASO又是怎么来观测宇宙线的？

LHAASO来观测这个宇宙线，它实际上是通过建立一堆探测器，摊在地面上形成一个阵列，这些阵列实际上每一个探测器单元，相当于我们这个视网膜要去看这个光线，那么当光线进入到大气了之后，它就产生一堆很多很多粒子，可能会产生上亿个粒子，这些上亿个粒子，就落在我的视网膜上了。然后这个视网膜记录到的每一个单元，我把它的时间和它的亮度记下来了之后，我就可以把这根光线的这个情况给它记录下来。对于孩子来讲，都希望自己住在一个小区的顶楼，露台上架着一个望远镜，天文望远镜，那我想问问，这个LHAASO为什么要建在高海拔地区，也有一致的地方吗？完全一致，站在阳台上去就是为了避开有东西挡住你，才能够看得更清楚。而我们看宇宙线的时候，是被什么东西挡住了呢？是被大气挡住了。如果说这个大气的厚度足够地厚，最后这些粒子在大气中就被吸收掉了，你就看不到它了，所以你只有站在更高的地方去，大气变得越来越稀薄，然后这个时候你受到的吸收就越来越少，你会看到越来越多的东西。给两个数字，可以说明这个问题。简单的数字，宇宙线实际上是一个来自各个方向完全均匀的一些粒子，如果我在地面，就在我们北京地区去测这个地方的话，大概平均每个平方米上每秒钟会落下来200多个，但是我们把这件事情同样的一个东西搬到LHAASO（海拔）4400米的地方去看，一下子这个数据变成1000了。

会有这么大的差异？对，你看这就是我们跑到阳台上去的好处，我到了阳台上去我就能看到更多的东西。原先只是阳台或者到高山上，现在我们国家有青藏高原这样一个平台。地理条件。对，非常独特的条件把它用上，再加上很多我们技术上的改进，那么我们可以测到非常好的宇宙射线，把自然环境充分地利用好。而且把我们国家技术上的发展也带动起来，为了实现某一个很好的科学。接下来，我们就通过短片去了解一下。人类在探索宇宙的过程当中，都建立了哪些大科学装置。宇宙中有大量的粒子从四面八方进入地球，它们携带着关于宇宙的种种信息。为了了解宇宙，人类建立起许多的大型望远镜来捕捉这些宇宙中的“信使”。在我国便有被称为“天眼”的500米口径球面射电望远镜FAST，世界上光谱获取率最高的望远镜之一LAMOST，中国首颗X射线空间天文卫星“慧眼”，已经在宇宙中征战多年的暗物质粒子探测卫星“悟空号”等等，它们各司其职，观测着来自宇宙中各种类型的粒子。如今LHAASO的加入让我们的视野更加开阔，帮助我们了解更多宇宙中的诸多奥秘。LHAASO肩负着怎样的任务？它与FAST等大科学装置又有何不同？

LHAASO它跟之前的FAST等等，这有什么区别？它的波段不一样，它波段不一样的话，大家看到的东西可能就不太一样。这个波段我们的理解就像我们收听广播一样，中波、短波。没错没错没错，就是这样的。它看的是非常长波的，而我们看的是非常非常短波的，就是这个意思。所以不在一个观测的平面上。对，但是真正要把这个事情搞清楚，实际上我们就要讲用多波段的天文学来做这个事情的研究。比如说这次LHAASO发现的这12个源，觉得它非常非常有兴趣了，那我们就要跟FAST的人就要去商量，咱们一起去看看去，做同样的观测，做同时的观测。不同的波段同时来进行。对，这个就要多波段了。这就更综合更立体了。对对对。我们注意到前一段时间，很多媒体在不停地转载，说LHAASO有重大发现，这是对人类的贡献，它到底观测到了什么呢？首先是它发现的银河系里边存在着加速能力超强的加速器，一下子就发现了十几个，这个是一个非常大的一个突破。我们听到加速器这个概念是人工的行为。对。那在宇宙当中没有人，这个加速器怎么来？没错，这个是一个类比。加速器的话听上去像一个机器，但是实际上自然界也是有一个磁场。自然存在的。对，一个自然的磁场存在，把粒子束缚在里头，然后不断地给它能量加加加，把它的能量加上去，这个过程都是一样的。我们地面上的加速器，有多高的能力？就是人工建造出来的加速器，能够达到什么水平呢？

那最大的加速器就在日内瓦，欧洲联合核子研究中心，这个大家伙的周长是27公里长，它能够加速到的能量，如果把它放个电子进去加速的话，它只能加速到几十个GeV。几十个GeV（十亿电子伏特），那我们捕捉到的这个信息，如果要是加速器发射出来的是它现在的多少倍？10万倍。10万倍？对。这么大的差距？对，我们看到这个1.4个PeV的这个光子，如果是一个电子发射出来的话，这个粒子要加速到多高呢？3个PeV，跟我们原来加速到的几十个GeV的水平相比，那就是10万倍。我特别想问，我们人类的认知为什么跟真实的宇宙差距那么大？这就是我们想解决的谜，这个就是我们所谓的谜团内容之一。宇宙线的发现已经100多年了，因为我们一般的粒子的能量没那么高，为什么有这么高的（能量），包括LHAASO看到的，这一直是一个宇宙线加速之谜。建设LHAASO的目标，就是为了去解决徐老师提到的这个世纪之谜，就是宇宙线的源。宇宙线实际上是我们自然界的存在的，一种物质构成的一个基本成分。如果说我们已经在100年的时间之内，知道了有这种东西的存在，而找不到它的源头，就跟现在我们找不到暗物质这个源头是一样的道理，所以它被列为是世纪之谜就是这个意思。就是已经发现了一个世纪的，但是不知道它从哪里来的，尤其是不知道它为什么具有这么高的能量，这个就是我们要去研究的内容。真的我们找到了能量的来源的话，到底会对人类的帮助是什么？

我们整个的宇宙，它的基本单元星系，星系里面是若干个恒星，那么我们这个宇宙也不是一开始就这样，它还有一个形成过程。我们说宇宙是起源于一个大概是138亿年前的一个极端的时空膨胀，因为它像个爆炸一样的，所以我们形象地把它称为Bigbang，就是大爆炸，所以说我们要研究宇宙的结构的时候，其实跟它怎么来的，形成的过程是非常有关的，那么这些过程实际上都是跟很多很多我们现在看到的这些现象是分不开的，包括宇宙线当中的加速器的来源，所以说LHAASO的这个观测表明加速器，它实际上涉及了整个的银河系的结构和演化过程。我理解是这样，就是说我们现在看到的这个现象，这么高能量的高能过程，到底对人类有多大的影响，我们可以从两个方面来理解这个事情。坦率地说，现在我们看到这种高能现象对于我们目前的生活是没有太大影响的，不可能产生影响，你看我们用的普通的能源，用燃燃烧的过程。不管是燃烧汽油也好，还是燃烧煤也好，产生的能源，这部分能源的能量是相当低的，那么后来就发现这个能源其实可以用原子弹爆炸的这个过程，这个时候我们就用到的是核能，而我们现在看到这些大爆炸，就是宇宙里头的这些爆炸行为，超新星爆炸等等一些过程，这些过程的时候，这个物质已经完全进入到核的那个程度了。在那种程度下面，现在我们的能源还没够到那一步，未来的某个时代，可能我们就会用到像夸克物质，这种物质它的一个反应，它的一个过程，会不会给我们产生一个能量？完全有可能。LHAASO到底会跟我们普通人有什么关系呢？我们通过短片去了解一下。

短时间内LHAASO并不会为我们带来一些直接的影响，但它的潜在价值十分巨大。比如加速器在科学研究领域具有十分重要的作用，可以观察病毒关键蛋白质结构的同步辐射光，能够探测材料内部结构的散裂中子源等，这些装置很大程度上加快了科技发展的速度，加速器就是它们核心部分之一。如果LHAASO可以帮助我们破解宇宙线的起源之谜，我们就可以学习宇宙中加速器的运作机理，从而在地球上造出更好的加速器用于科学研究等工作。如今人类对宇宙的认知只是冰山一角，我国的LHAASO正是一把破冰利器，帮助我们破解宇宙中的更多奥秘。目前在国际上，LHAASO又占据着怎样的地位呢？那说到这个LHAASO，在国际上有没有类似的这种观测站，它们的能力是什么样的？有啊，你做任何一个实验肯定有一个继承的，我们不要去说远了，就说我们自己，我们在西藏羊八井已经干了30多年了。那么在这个地方建立的观测站，实际上我们的LHAASO，我们称之为第三代。而前面这几代的观测站，实际上规模要比这个小，大概是几十倍，甚至一百倍。您说的还是我们国内的，在国际上呢？

国际上是个什么状况？实际上我们羊八井的观测一直是保持在所谓的第一梯队里头，大家的规模都差不多。国外的规模也差不多，比如说LHAASO实际上由三个部分组成，中间那个大的水池，那个现在我们建了七万八千平方米，那么现在在我们建好之前是最大的一个这样的水池，类似的这样的探测器是美国人建的，这个是在美国和墨西哥在一个（海拔）4100米的地方建的这个观测站。这个观测站只相当于，我们其中的一个水池这么大，就是我们的面积大概是它的4倍左右，这个就是一个比较，大概就是这么一个水平。从现在的情况来看，由于LHAASO现在非常成功的发现，国际上又重新把眼光又汇聚到探测技术上来。现在欧洲人、美国人都在跟我们探讨，下面是不是要在南半球再建一个LHAASO，因为这个探测器只能看北边。这个技术只是我们自己独家掌握的，还是我们可以在世界上分享？一旦发表就可以分享，没发表之前当然是我们要保密的了。因为科学研究都是这样，你一旦发表到这个杂志上去了之后，那就是任何人都可以去利用这个参数，利用这些数据来做研究了。这个确实是包括LHAASO，包括我们国家的其他的设备，科学家之间的互相交流是非常地重要。有一句话说得很通俗，就是好马得配好鞍的，一个好的科学家要取得好的科研成果，你往往需要有最先进的设备来帮助你来实现。

有人说LHAASO是开启了一个新的科学时代，您怎么看这样的说法？这个说法其实非常准确，伽马天文学的研究，虽然说是大家都是伽马光线，用伽马光线来做观测，但实际上伽马光线所覆盖的一个能区范围是非常宽广的，就像是照人的X射线跟照工业安全检查的X射线，它是不一样的，能量不一样。那么在伽马里头也是一样的，在能量低一点的伽马能区，是过去30年一个非常非常辉煌的一个领域，这个叫作甚高能区的伽马天文。这个领域是从1989年的一次重大发现，那次是发现了蟹状星云发出来的，TeV（一万亿电子伏特）的光子，那么这一次我们LHAASO的这次发现是在30年之后，甚至是30多年之后了，发现了一个能量高了1000倍的，这样的PeV的光子。我们如果说去回望历史的话，那一次的发现所引发的就是后来的持续了30年的这个甚高能伽马天文的辉煌，放在《自然》和《科学》的文章就发表了几十篇，那么我们这一次第一个发现LHAASO的这个发现就已经上了Nature，马上还会有Science国际著名的科学杂志。那么下一步，未来的十年二十年，现在国际上对我们这个判断已经说得很清楚，未来的十年，伽马天文就是属于LHAASO的。

我们这个LHAASO，它是为了解决一些跟宇宙线有关的科学问题，比如说100年来宇宙线的加速机制，其实在LHAASO的建设过程当中，也已经体现出来。LHAASO要把它建成，要把它运行好，你对于很多的工业界的一些要求，其实也是带动起来了，所以从这个意义上来讲的话，实际上是提升了我们国家的一个硬实力，可以看作是一个硬实力，其实它不光是可以带动这个硬实力，对于促进我们国家软实力的提升也是非常重要的。好的科学家应该有好的设备帮助他来实现，做成一个非常好的科学成果，我们LHAASO就是这样的，我们国内的一些其他的这种望远镜也有这样的功能，所以说它可以给我们全球的科学家提供一个非常好的LHAASO的平台，加强我们中国科学家和全世界一流的科学家的这种交流合作，这个对于我们国家提升软实力应该说是非常有帮助。我们的LHAASO中国能建，其他国家不可以建吗？是我们掌握着建造这个观测站的核心的技术吗？可以建，但是这个确确实实需要实力的，就是刚才徐老师说的，我们如果没有这么大的实力，我们就建不起来这么大的设备。这个实力指的是什么？

一个国家的科技的投入，我们国家的经济实力，还有我们国家现在整体的工业配套能力综合能力，综合的配套能力。现在我们LHAASO的成功，马上就带动了国际上对这个能区的观测的热潮，刚才不是讲打开了一个窗口，开创了一个新的学科，在这个意义上讲，国际上现在已经跟上来了。希望能建一个，比如说在南半球也建一个LHAASO，把我们就请去跟他们参与一起干，我现在碰到第一个问题去干这件事情，就会发现实际上这个事情在国外是干不了的。LHAASO这样的事情，这么大的基建工程量，这么快的速度要把它建成，实际上是做不到的，我们现在就是想别的办法，要想能够简化，能够省钱，各种各样的方法，能够去想得到的这个办法，基建规模不要这么大，环境破坏不要那么严重等等，诸如此类都要考虑，因为这个是完全不一样的一种情况，不是不可以建，而是。是否有综合能力去建造它？没错。没有这么好的综合能力。在未来一段时间内，LHAASO在观测宇宙方面，到底会扮演一个什么样的角色？我们通过短片去了解一下。

在高能宇宙线观测领域从未有设备能像LHAASO一样，捕捉到如此高能宇宙线的影子，它打开了一个全新的领域，在未来很长一段时间内，LHAASO也将成为提供超高能宇宙线研究领域数据的唯一大科学装置。2021年7月8日，LHAASO发布了对蟹状星云观察所得到的结果，这再次引起了学界的关注。这次观测不仅更好地测定了宇宙中光的亮度标准，还对蟹状星云中过去人们认为的宇宙加速器运行机理提出了挑战，未来随着LHAASO提供越来越多的观测数据，我们也将更接近宇宙的真相，破解宇宙演化的奥秘。我们对LHAASO未来寄予的希望，还希望能够有哪些重要的发现？还是回到我们的科学目标，这次我们叫作看见了“曙光”，就这次的发现。但这个曙光很重要，曙光一来了之后，你就看见大概在什么方向了，所以说为我们的未来的发展指明了一个方向。另外一个就是原来你没有接触过的这个是个完全未知的世界，你现在终于看到一些东西了，那么看到是多少，看到的是达到了我们需要的量没有，能不能够完成我们定下来的科学目标等等，这些问题都提出来了。

对于我们未来的发展，实际上是指出了一个非常明确的方向，我们应该去看什么样的东西，要看多长时间，我的LHAASO的能力够不够，这些问题都已经比较清楚了。比如说我们现在看到的最高能量的光子这件事情，实际上我们现在的统计量就是收到几个，你收到的个数越少，偶然性就越大。它可能不是我们想象的那种原理，你只有通过大量的观测，才能够把这个事情的原理，我们画一条曲线，做一个模型，做理论的人就可以把它搞清楚，这个时候就需要你的统计量要增加的。而我们现在看到的是PeV的光子，LHAASO现在只能看到多少，现在是几乎是最强的一个源，大概也就是一年一到两个，两到三个的样子。这不够，这肯定是不够的，真正要把这个地方看清楚看好，很可能将来我们还需要更大的LHAASO，但是现在，在未来的20年之内，我们认为LHAASO肯定是不会有人超过去的。它的地位就是这么高，因为要建这么大一个东西确实不容易。当我们的望远镜观测站越做越大的时候，会不会有一天我们完全否认了我们之前观测到的内容？

倒不会完全否认，因为你眼睛不好的时候，你看着模模糊糊，但是它基本上还在那个地方，这次我们看见12个源里头只有一个是新的，其他都是原来人家已经看到过的，只不过是没看到这么高能量的东西而已。你这一看到高能量的东西的时候，它的意义就不一样了，将来你要再去做得更大更好的东西，只会看得越来越清楚，研究的道理就越来越明白，让我们路也越来越清晰，不会说是完全否定原来的，倒是不会。确实我们对于宇宙在理论上推测的时候，实际上是五花八门的，这反映出我们对于宇宙的未知，谁说的东西有没有道理，谁的道理更好？这实际上是要靠这些我们的观测，比如说LHAASO的话，它就是一个极高能的最后的这么一个窗口，所以说这这个窗口打开，特别是未来进一步地积累数据，提高统计量。甚至于以后建更好的LHAASO，这个实际上是非常有帮助的，因为我们要认识宇宙，我们的科学和技术是连在一块儿的。从这个意义上来讲的话，LHAASO这样的一个新的窗口的打开，会告诉我们谁是想错了，这非常重要。因为我们只有不断地排除那些想错了的东西，我们才能够留下我们正确的一个对宇宙有关的理解，刚才也说到了。

在今天的结尾，特别希望两位研究宇宙的科学家告诉我们，宇宙的观测跟人类的关系是什么？宇宙的观测，实际上永远就是我们增加我们人类知识，丰富人类知识体系的一个永远的驱动力，就是这种好奇心，就是我们要去探索宇宙的这些情况，探索宇宙的通常的一个办法就是去寻找这些最极端的、最边缘的这些东西去做研究，这个就是真正能够扩展我们的知识，做LHAASO也好，不管是做其他的项目也好，做什么也好，我们的始终的一个目标都是向这个方向去的，必然跟我们的身边的生活要发生关系。从我们作为一个科学家来说，最自然而最迫切的一个问题就是我们必须要去获得公众、政府和周边的人群对我们的支持，我们才能够把这个工作做下去，越做越大，做到真正能够达到我们的目的，扩大我们的知识范围。其实我们对宇宙的观测做的所有的努力，都是让人类对宇宙的认知更为准确？同时它还通过这个大科学装置的建设，还能够带动很多新的科技的发展。我们人原先只是用眼睛去看，后来发明望远镜，望远镜可以看作是眼睛的延伸，像LHAASO这样的设备的运行，包括FAST也一样，它会筛选出我们对于宇宙的一个正确的认识。

感谢两位来到我们演播室当中，感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您想了解我们更多节目内容，可以下载央视频。今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。