编者按

　　在清华，一批优秀的青年学者以自己心中的热爱为动力，奔赴理想，教书育人。人文清华讲坛以“行健不息·人文日新”为主题，举办了青年学者演讲专场。“80后”青年学者、天文系副教授蔡峥做客讲坛，分享追寻理想的人生感悟，鼓励广大学子以热爱领航人生。本报摘编部分演讲内容，以飨读者。

●蔡峥

蔡峥在人文清华讲坛。

宇宙的广阔

　　有一次在飞机上，旁边的人问我：“你是做什么的？”我说：“我是研究天文的。”然后他立刻问我今年的运势怎么样。实际上，关于星座我们研究得比较少，我也不知道通过星座看运势有没有道理。我们做的是研究宇宙，在给宇宙下定义这方面，我们中国人还是比较强的。在2000多年前，中国的哲学家就说过“上下四方谓之宇，古往今来谓之宙”，宇宙就是空间和时间。
　　在空间和时间的维度上，宇宙有多大呢？现在所知的宇宙的大小接近900亿光年，这是通过精确宇宙学得来的。宇宙的时间有多长呢？精确宇宙学也告诉我们宇宙大概有138亿年。138亿年是很长的时间，我们要如何认知宇宙的演化呢？
　　随着宇宙的膨胀，宇宙的密度越来越低，密度低到一定程度时，有科学家发现是一种神秘的力量——暗能量在起作用。“发现暗能量”是2011年诺贝尔物理学奖得主的主要获奖原因。暗能量在大尺度上并不是引力，而是一种斥力，驱动整个宇宙加速膨胀。在宇宙膨胀的过程中，暗能量在宇宙中占比69%，此外还有26%的暗物质，可见物质最多只占5%，所以宇宙中有95%是我们未知的。
　　将来也许会创造出一个时空隧道去穿越时空，或者创作出曲速引擎，夕发朝至到很远的地方。基于目前对宇宙的研究，我今天要介绍的是清华大学与青海省合作建设的宽视场巡天望远镜项目MUST（MUltiplexed Survey Telescope），它将带着我们去探索已知和未知世界的边缘，让我们更加理解暗能量的演化和暗物质的本质。

填补天文学空白

　　天体物理的研究在近十年取得了较多进展，几乎占据了诺贝尔物理学奖的半壁江山：2011年的宇宙加速膨胀和暗能量、2015年的中微子振荡、2019年的精确宇宙学和系外行星、2020年的超大质量黑洞……世界权威学术期刊《科学》（Science）发布的125个科学问题中，暗物质、暗能量的本质问题排名非常靠前。天文是基础科学中能够有持续性突破、发展比较快的领域之一。以上这些都是MUST关心的事情，也都是MUST能够做的研究。
　　如果用光探索整个宇宙，已经是一个全波段探测的时代，最短的波有伽马射线，最长的波有射电。我国在伽马射线、X射线方面研究得很好，有“慧眼”卫星等，在射电领域有世界最大的单口径射电望远镜“中国天眼”，但是对光学红外的研究还比较弱。光学红外波段特别重要，只有通过这个波段我们才能看到宇宙是群星璀璨的。所以，光学红外可以“顶天立地”，通过它可以往远看，探索宇宙的形成，同时在日常生活和相关技术中它也大有用武之地。MUST在光学红外这方面与天眼、X射线望远镜形成互补。
　　天文学看似不接地气，实际上带来了很多变革：在20世纪70年代，美国亚利桑那大学天文学家为了观测深空非常暗弱的天体信号，发明了背照式CCD（电荷耦合器件，charge-coupled device），大幅提升了CCD的效率，从而取代胶片，让人类有了新的拍照技术。于是我们可以使用手机拍照，摄影时提到的“像素”就来源于CCD。如果没有CCD，就没有人工智能时代，这是数字化的过程。人工智能三大重要的先决条件是算法、算力和数据，其中十分重要的数据是CCD提供的。
　　天文学对社会发展产生了重要影响。奥本海默是研究中子星的，惠勒是研究黑洞的，这些天体物理学家的研究影响着后来的原子能、中国的“两弹一星”、新能源等研究，我们日常用到的Wi-Fi是从射电望远镜的研究中诞生出来的。而光学红外的相关技术将会在未来引领一段时间的变革，MUST是光学红外方面的大装备。
　　光学红外望远镜可以分成三类。一类是只能拍照片的大型图像巡天望远镜，拍得视角很广、很宽，例如美国建的大口径全景巡天望远镜（LSST)。我国也计划发射一个，叫中国巡天空间望远镜（CSST）。
　　第二类是大型通用型光学红外望远镜。美欧在该领域发展得比较快，美国建有凯克望远镜（Keck），用Keck做研究的人在十年内获得了两个诺贝尔奖，分别是因为在2011年发现了宇宙加速膨胀、在2020年发现银河系中心超大质量黑洞。通用型光学红外望远镜既可以做成像，也可以做光谱，有很多功能，口径可以做得很大，比如欧洲极大望远镜（E-ELT）在2023年已经将主镜直径做到了39米。但是这类望远镜的视场角特别小，因为大口径跟大视场很难同时兼顾。
　　第三类是MUST这类的大型光谱巡天望远镜。MUST兼具大口径和大视场，专门拍光谱，它和前两类望远镜是互补的。我们找到的一个参数空间，是目前还没有几个望远镜能够占据的参数空间，所以我们填补了这个空白。并且MUST有望实现世界上第一个第五阶段光谱巡天，MUST第一个4年至5年的巡天将会为人类积累1亿条光谱库。MUST拥有6.5米的口径和7平方度的视场角，它拍一张图就能够装下30个满月那么大的角度。很快它将能拍全天的光谱，被称为中型望远镜“最后一块没有完成的拼图”。MUST能让我国在相关领域取得较大进展，不仅是中国需要，世界也很需要这类设备。
　　相比世界范围内之前的光谱项目，MUST在巡天面积和巡天深度的综合能力上有一个量级的突破。提升一个数量级，就将开辟一个新的宇宙空间，MUST将帮助我们发现一些宇宙里的未知东西。

MUST任重而道远

　　整个MUST项目需要十几亿元，我们逐步筹集到一些资金。刚开始我天天睡不好觉，就想这个事砸在我手上怎么办，经常半夜惊醒时，汗把床单和被罩都浸湿了，我就把被子换个面接着睡，觉得责任、压力很大。第一笔钱筹到后就要思考这个望远镜要建在哪里，我们和国家天文台一起选址，觉得青海冷湖是一个比较好的地方。
　　选址很有意思。如果是射电望远镜、天眼，它们的长波可以穿云，并不怕云多，但是MUST跟我们人眼一样需要可见光，云太多不行。同时，海拔要高，能使紫外线的透过率高，这对天文学研究是比较好的。另外，MUST要求红外线的透过率要比较高，而且环境要很干燥，越干燥红外线的透过率就越高。还要求大气比较稳定，没有过多的气流湍流，如果有很多气流湍流我们看星星时就觉得星星在“眨眼睛”，其实是因为大气的抖动。因此，需要稳定视凝度，空气要异常洁净和平稳，风要很平稳。这样的地方在世界上都非常难找，有两个最好的地方，一个是美国夏威夷的莫纳克亚，在太平洋中间隆起一座4000多米高的山，海风非常均匀，雨也不会下到山上；另一个是智利的阿塔卡马沙漠，高处的海拔有四五千米。在这两个地方，即使站在地平线上去看星星，它们都不会眨眼睛，而且能看到满天星辰，气流非常稳，肉眼就能看到太阳系中有一条红颜色的尘埃带。
　　虽然在我国很难找到这么好的台址，但是冷湖也是比较好的，年均降雨量只有10毫米左右，植被和人烟稀少，灯光少，以西风为主，气流比较稳定，没有太多湍流，它填补了“东半球没有好台址”的空白。虽人迹罕至，但“世之奇伟、瑰怪、非常之观，常在于险远”，在这里能看到非常好看的星空。
　　大型天文望远镜的研究是一个很难的工作。在可见光方面，我们探测的是几百纳米的光，望远镜面型的起伏要小于10纳米，所以在光学设备的加工检测中，安装和调试都非常难，对人的技术要求很高，而且人要到那么高、那么艰苦的环境中工作，挑战很大。
　　MUST不仅有很强大的光机系统，它还是中国最大的单体镜面，主镜直径6.5米，副镜直径2.4米，也是中国目前为止最大的非球面的凸面光学元件。它的改正镜是1.4-1.6米的透镜，共5片，是世界最大的改正镜组、透镜组。此外，它还有一个300吨重的机架，有上万个零部件，以达到精密跟踪。要精密到什么程度呢？我们把胳膊伸直，伸出手指，食指的指甲盖挡住的视野大概是1个平方度，MUST要跟踪到1个平方度除以10万的精度，均方根值要在10纳米之内。当MUST处在不同姿态、不同重力的情况下，如何调面型以精密跟踪、能不能实时在线调整，都是极大的挑战。
　　2019年，一些专家问我们的成功率有多大，当时没有人相信我们能成功。但是不管多难，这几年从筹款到建设，我们已经有了一个稳定的团队，现在至少有一半的专家相信我们是能成功的。
　　最重要的是相信“相信”的力量，一旦认准了一件事，就要坚持不懈，做难而正确的事。因为简单而正确的事都被人做完了，难而错误的事没必要去做，所以我们要做难而正确的事。要真的相信自己是有可能做到的，并且非常努力地去做，全世界都会来帮忙。我一直相信“相信”的力量，希望MUST能够早日矗立在中国西部的大地上，加入到世界深空探索的行列，把我们带到已知和未知世界的边缘。
　　　（来源：人文清华讲坛）