射电天文学萌芽期的一些启示

本文原为纪念赫兹发现电磁波100周年，作于1988年。文中列举了这一发现催生的二十世纪三大科学技术领域，而把焦点聚在其中之一，射电天文学的诞生时期，并从这一段堪称曲折、实则相当典型的历史中谈了自己体会所及的一些启示。今天纪念射电天文的诞生，这篇文章，虽然时间上又隔了二十多年，但这些启示仍然值得我们共同回味。所以不揣冒昧，把原文修整后重新录出如下。

如果说麦克斯韦的电磁理论在人类认识自然的阶梯上登上了新的高度，那么赫兹在这个高度上向四周开拓的业绩也是无与伦比的。

赫兹实验的成功，除了是对麦克斯韦理论的证实，至少还在三个重大领域中为二十世纪文明的发展奠定了根基。

其一，他创造了无线电收发技术。这是从远古钻木取火以来，人工产生并利用电磁波的第一座新的里程碑。距赫兹实验不过十年多，波波夫和马可尼便完成了用无线电传递信息的尝试。自此，大容量、高速度、远距离通讯广播以一日千里之势渗入人类活动的各个领域，成为今日世界文明的一大支柱。

其二，他一开始便把无线电波的传播性质列入研究议程。接着出现了这一领域中自然科学和应用科学交错腾跃的场面。海维塞（1902）、阿普顿（1924）等人对电离层的探讨开创了地球高空大气物理学，并启动了无线电信息传播的系统研究。在这之后，“电波传播”，作为一门基础学科，在前进的路上不断促成学科交叉，其影响遍及气象、天文、精密雷达定位、人造卫星测轨、遥感、精密时间比对等等当代研究和应用的前沿。

其三，他创造的无线电接收技术，把人类观察世界的能力从人体感官敏感的范围扩大到无线电波段。他启示了：人，能够为自己制成“无线电眼睛”，前面的两大成就便是在这种新的“眼睛”的视界里取得的。而这方面一个十分突出的事件是二十世纪中射电天文学的诞生。“射电”作为天文学术语，用来指无线电及无线电辐射。

赫兹的功绩当然不是几条浅显的罗列所能概括。我们这里主要是借射电天文萌芽阶段的几件史实来追循一门新兴科学成长中曲折的历程，并用以为鉴。

早在1890年，紧接着赫兹实验的成功，发明家爱迪生就设计了一个接收系统，试图测量太阳发出的无线电波。这样做的科学根据是充分的。因为可以认为：

（1） 光和无线电波既然都是电磁波，能发光的太阳（和其它天体）应当也能发射无线电波；

（2） 能够接收到人工无线电波的设备，理应也能用来接收天体无线电波；

（3） 太阳发出的光是天体中最亮的，因此它的无线电波应当最容易被接收到。

这是我们代前人设想的逻辑。其中（1）、（2）两条是正确的。第（3）条虽然也是对的，但后来却是“宇宙射电”最先被收到。爱迪生的这一实验没有成功，因为当时的器件还不具备收录“太阳射电”的条件。这次实验在爱迪生一生众多的实验中只是一个插曲，也许不值得一提。但是却使我们想到，爱迪生作为一位发明家，但他却是怀着认识自然的明确目的试图探测天体射电的第一人，既无实用大师的职业偏见，亦无金钱王国的社会偏见。这也许是人们至今很少注意到的“爱迪生之所以为爱迪生”的一个颇为值得注意的方面吧！

继爱迪生之后，德国天体物理学家威尔辛和欣纳（1896），英国物理学家洛奇（1897）都以在当时堪称先进的设计，分别再次试测太阳的电波。但得到的仍然都是零结果。洛奇把这归咎于他的实验在利物浦做，干扰太大，威尔辛他们则认为可能是由于地球大气吸收了太阳“射线”，以致测值为零。

1902年法国的一位研究生诺德曼，接受了威尔辛的见解，携带了一副装配有长天线的接收系统到海拔3000米的阿尔卑斯山上去进行太阳观测，他认为到了这个高度，大气影响减弱，可望测到太阳电波。他观测了一天没有得到结果，结束了看来是花费了很大精力准备的一次实验。当时的无线电技术不足以测出微弱的天体电波，先行者们是意识到的。诺德曼的实验在爱迪生之后十二年，设备有所改善，可算是做了新的一次努力。但是诺德曼（当时还是一个研究生）和后来的天文学家们没有继续再做下去，于是，这次实验就成为自爱迪生以来有意识地探测太阳电波以求发现天体射电的最后一回尝试。

今天来看，为了证实天体射电的存在，以太阳为观测目标不但是正确的、而且是极佳的选择。也是在1902年，法国天体物理学家迪兰德和德康勃发表了一篇文章，指出太阳无线电辐射应来自偶发的“太阳爆发”（他们把它归为“日珥、耀斑”，并建议在全球设立观测网进行联合监测）。后来的实践发现，太阳上发生“射电爆发”时强度激增，有的可达平时的一百万倍，因而会极大地提高被探测到的可能性。事实上，尽管当时并不知道电离层对天体电波的阻挡，更不知道地球大气“射电窗口”及所涉及的超高频技术，但是验证天体电波只需要判断其有无，而多站联测又可以有效提高检验的可信度，加以无线电技术发展迅速，如果当时有人能够想象到“太阳射电爆发”可能如此强烈，那么这个已经由好几个人接力、持续耕耘了十二年的“太阳实验”很可能会延续下去，并开花结果。可惜历史未遂人愿，这个美好的情景并没有出现。

在诺德曼实验得到零结果之后，天体射电的探索似乎被科学界遗忘了30年。直到一个偶然的机会才又引起人们的注意。那是1932年，在美国贝尔电话实验室工作的年轻工程师央斯基，为了测量地球大气中的“天电”对当时开辟的跨大西洋无线电通讯的噪音干扰，无意中发现了一个周期性出现的噪音源，出现的规律和恒星运行一致。经过反复校验，他确定了这个噪音发出自银河系中心，从而第一个发现了来自天体的无线电波。当时他用的频率为20.5兆赫。央斯基的严谨性和想象力使他能够见微知著，后来被公认为是射电天文学的创始人。可是他发现的“宇宙噪音”并没有真正被重视，尽管那时候的报纸、广播曾经热闹了几天，他想要继续在这方面做一些研究的愿望却没有得到支持。

当时美国处于经济萧条，企业家们无暇顾及科学发现是不足为奇的，但是继央斯基之后，曾有几位出色的天文学家为进一步测量和验证他的发现提出过一些实验方案和理论探讨，但都是没有“成型”时便放弃了。射电天文学的诞生是艰难的。从三十年代早期开始，分娩期长达近十五年！

在这样的环境下，雷伯的业绩应当大书一笔。他单枪匹马创建了射电天文实测，完成了对央斯基重大发现的验证。当时他是美国一位年轻的工程师，在一家公司从事无线电接收机的设计。1937年，他在自己的后院建起一台直径9米的抛物面天线。这是世界上第一台真正的射电望远镜。1938年他先后用3300兆赫和910兆赫验证央斯基的发现，但都没有成功。雷伯没有放弃，终于在1939年用160兆赫测到了宇宙电波，并以近十年的努力，绘制了第一幅堪称优质的射电天图。

在现代天文学发展史中，央斯基那个年代，无线电电子学的“冲击波”虽然已经临近，但是对于一向依靠光学和光谱学技术装备的天文学家来说，是既生疏又神秘的。与此同时，物理学、特别是量子力学的应用给天文学注入新的活力，使恒星和各类天体的性质和结构的理论取得划时代的进展，这使得当时的天文学家如此自信，以致当央斯基发现的天体电波不能用已知的辐射机制来解释时，他们普遍采取了过分审慎的态度。这使我们想起历史上屡屡发生的一个现象：“当伟大的成就造成了过分自信的权威时，他常犯的一个错误是认为凡是‘不能’理解的就‘不应当’存在。”当时那些杰出的天文学家对无线电技术缺乏理解，而对“非热辐射”机制迟迟才有所理解，因此央斯基的发现一时也就不能得到理解。当然，射电天文的幼芽未能很快成长主要有当时的社会原因，但美国天文界的权威们对央斯基和雷伯的工作没有给予充分的重视则是令人惋惜的。

至此，射电天文学，虽然不无曲折，还是完成了以央斯基—雷伯为标志的萌芽历程。赫兹播下的种子在天文学园地中获得了生机。

在射电天文学的发展史上，这一段半个世纪的经历大体上可以总结为：

（1）1888年，赫兹的无线电实验宣告了“人，能够为自己制成‘无线电眼睛’”。

（2）1900年前后的“无线电眼睛”（简单天线；检波器）的作用：（a）导致无线电通讯试验成功；通讯上的应用加速了接收技术的发展；（b）对探测太阳射电做了十余年的努力，但没有持续下去。

（3）1930年～1940年前后的“无线电眼睛”（米波、分米波天线；真空管接收机）做到了：（a）开展跨大西洋电报电话常规业务；导致央斯基偶然发现宇宙电波；（b）发展抛物面天线和超高频接收技术，导致雷伯对宇宙电波的普测；（c）实际上为雷达的发展提供了技术储备。

紧接着这一时期的第二次世界大战期间，警戒雷达无意中发现了太阳“无线电爆发”。接着，战后军事雷达的强大技术队伍一部分转到了射电天文研究，雷达技术（以及一些设备）很快移植给射电望远镜，这些为射电天文学的“第一次飞跃”创造了条件。这次飞跃发现了数以百计的发出强烈无线电波的天体，随后证实了它们多半与宇宙间能量剧烈迸发事件相关。当时的“无线电眼睛”还是粗糙的，其能力大约达到了可以在一万千米距离上“看”到一支1瓦日光灯的辐射；辨认目标的本领则大约相当于能在离舞台十几米处看清演员面目的水平。这次飞跃中不断积蓄力量，到六十年代中期掀起了第二次发展高潮、把射电天文学推进到鼎盛时期。当时的天文学在短短几年间接连获得的四大发现：类星体、脉冲星、宇宙微波背景和星际分子群，全部得力于射电天文实测。与此同时，发端于这一时期（及稍后）的三项射电天文设备创新：综合孔径方法、望远镜的“主动保形”设计和甚长基线干涉仪方法，不但导致射电天文实测能力的革命性超越，而且广泛地为科学实测提供了新的思维。

回头看此前“第一次飞跃”中的积蓄力量，可以认为那时正是萌芽期的射电天文学达到了成长的高潮。机遇和人才源源应运而生、积二十年的奋斗结出了硕果。那段期间发生过许多足以传世的事迹。不过其中际遇相近的居多。我们这里选择一则战后剑桥大学建立射电天文研究的事例作为典型，衔接到前面述及的从播种到萌芽的过程。

1939年，刚从牛津大学毕业的赖尔来到剑桥，师从拉德克里弗，希望从事电离层研究。接着第二次世界大战爆发，赖尔投笔从戎，战争临近结束时返回剑桥，拉德克里弗显然受到战时雷达收到太阳射电爆发的启发，把探测“宇宙电波”以及“宁静”时候的太阳电波的课题交给了初出茅庐的赖尔（这些正是央斯基和雷伯曾单枪匹马力争从事的课题）。赖尔研究组在相对简陋的条件下，以他们的创造力和韧性，使剑桥在射电天文技术的创新和天体射电现象的发现上长期处于领先，他们的工作获得两项诺贝尔物理学奖。赖尔这一代（英、澳、美、荷、德……）射电天文工作者成绩斐然。他们的努力导致了前面所说的四大天文发现和三大技术创新。到八十年代，观测宇宙的“无线电眼睛”已提高到了能够很容易地“看”到放在月球距离上一支1瓦日光灯的辐射，分辨目标的本领相当于可以在北京分清放在天津的两根并在一起的头发丝。

以上我们依次列举一些人物的科学事例（从赫兹、爱迪生到诺德曼，到央斯基、雷伯，到赖尔……），大略上检视了射电天文学七八十年间从播种、到萌芽、到长成的曲折经历。这一段历史中的是非得失，可以用雷伯提出的要“合适的人在合适的地方和合适的时间做合适的事”的条件来追循。（为了明确起见，我们对这句话加两条注：1、这里提的是必要条件，所以包含了“只要有一个不合适就不能成功”的意思。2、这里所谓的“合适”意味着机遇性和互动性。“四个合适”的涵义是几种机遇的互动，包括科学家为自己创造和把握的机遇，社会为他创造的机遇，以及时代给予他的机遇，分别属于“合适的人和事”，“合适的地方”和“合适的时间”）。下面我们将按这个思路，把前面所列的几个“人和事”分别放在所处的“地方”和“时间”的背景下进行分析。

（一）与“合适的地方”的互动

“合适的地方”，也就是工作环境。环境是人创造的，但应当由谁来创造这种适于科学发展的“合适的地方”？我们想，直接的应当是部门的学术“权威”，而更高一个层次则应当是“社会”，或能够支配物质支持（乃至精神支持）的决策者。

科学研究需要创造性，需要自由探索。一个科学家必须勤于思考、善于洞察（以开辟“合适”的途径），勇于“试错”、勇于坚持（以提高“合适”的概率），这些是他产生科学成就的内在条件，而必要的外在条件则是“合适”的环境，以保证他的这些品质得以自由发挥，首先是治学的独立性得到尊重。因此，对于“权威”来说，他的责任应当是知人善任，找到了“合适的人”就应当支持他放手去做“合适的事”而不加以干扰；而“权威”的美德则应当是虚心和宽容。对于科学决策者来说，他的责任应当是宏观定位、创造机遇，美德也应当是虚心和宽容。

前面我们谈到的人物都是西方学者，所处的时代已经有了二百多年现代科学文化的基础，看一下他们进入科学角色时的年龄：

央斯基：发现宇宙射电时—28岁

雷伯：制成自己的射电望远镜时—27岁

赖尔：受命创建射电天文研究时—27岁

可以认为，他们都是处在有所作为的起跑线上。但是各人在自己跑道上的遭遇却大不相同。前面说过，赖尔遇到了知人善任的拉德克里弗，尽管第二次世界大战后的英国伤痕累累，他的研究组还是在二十年中产生了两项诺贝尔奖的成果；而在他之前美国的央斯基和雷伯，成就虽然足以与许多诺贝尔奖项目媲美，但是他们的工作却没有得到社会和“权威”的理解，以致无法对射电天文的开拓起到应有的作用。其实央斯基的实验花费不过几千美元，而当时一所名大学的天文学家为了进行相似的实验申请200美元的资助也没有得到支持。这种非常强烈的对比表明了不同的机遇可以写出如此不同的历史，显示了“权威”和“社会导向”影响之巨！在这里我们不是着意褒贬，而是把这两项足以发人深省的历史引到现实，希望得到更多的学者、“权威”和决策者参与分析。

（二）与“合适的时间”的互动

肇始于十九世纪末的无线电技术的诞生和发展，无疑赋予射电天文萌芽以“合适的时间”。这里我们将重温一下前面提到过的一宗可能改变射电天文历史、但并不被人关注的往事，借以探讨在把握“合适的时间”中可能出现的得失。

前面曾经几次提到，赫兹的电波实验成功之后仅两年，1890年，为了探测天体无线电辐射（天体射电），爱迪生设计了一个接收系统，尝试测量太阳射电（他正确地估计到，太阳传到地球上的电波是所有天体中最强的）。当时的无线电技术很幼稚，爱迪生的尝试没有成功。此后的12年中，几位科学家怀着同样的目的，做了相似的实验，也都没有成功。最后一次是1902年，诺德曼做的，竟成为人类有意识地寻求发现天体射电的最后一次尝试。就这样一直过了30年，才发生了央斯基偶然发现宇宙射电的科学盛事。

这个重大科学发现之所以能够偶然地得到，是因为那时的无线电接收技术已经超出了基本要求。可以断言，如果那些年里还有人有意识地追踪太阳射电，那么在此以前多年的技术就应当足以胜任。这就是说，天体无线电辐射的发现可能会提早很多。那么，为什么人们没有这样做呢？

回到1902年，在那之前的12年里，从爱迪生开始，至少有前面我们提到的七位科学家关心过太阳射电的探索，其中至少五位留下了实际观测的记载。现在来问为什么到了1902年这种势头忽然消失，恐怕不能得到太明确的答案。当然一个原因应当是当时的无线电技术尚待发展（这时距真空管的问世还差两年），那时科学家必须自制无线电观测设备，而这本身就是一个难度很大的研究课题。这使得每次实验的准备周期很长，而成功的可能性却并不大。爱迪生和诺德曼都是只做了一次观测，失败后本人就没有再做了。但即便如此，探寻天体无线电辐射（天体射电）的科学意义如此重大，还是出现了那一段堪称活跃的最初十二年。

平心而论，当时的情况下，每个人心里必然会有一个沉重的结：“机遇”与“风险”的衡量。但真正令人难以释怀的是迪兰德和德康勃当时（也正是在1902年）提出了以太阳射电爆发为目标的极佳方案，而他们自己以及后来者却都没有跟进。这是一宗令人惋惜而难以理解的事。唯一的可能是：后续的那个时期无线电技术开始了高程度的专业化，而且发展甚快，天文学家们对无线电的前沿技术及其发展形势变得生疏，以至于队伍中能够熟悉和高水平运用无线电技术的人变得稀少。

这件可能改变射电天文学的历史、但并不常被人提起的往事，为我们在对“合适的时间”（也就是时代赋予的宏观机遇）的把握上至少做了两点严肃的提示：

其一为：1、天文学立足于观测。天文学家应当熟悉自己的观测设备并随时跟踪相应技术的前沿状态和发展形势；2、设备的研究应当融入天文学科，成为一个常规部分。

其二为：科学有时是要“冒险”的。特别是当“合适的时间”已经来临而“合适的事”遥遥在望时，最最需要的是“探险家精神”。

本文概述了射电天文学萌芽前后七八十年间的代表性史实，并用雷伯提出的“四个合适”来解读。八十年前诞生的射电天文学，今日在天文世界里风华正茂、前途似锦。我们在此用这篇对他艰难的出生和坎坷童年的回忆来为他祝福，兼怀往贤，并飨来者。