天南地北宜兴人:慧眼识天——天体物理学家肖可成

天体物理学家肖可成

人类对天体的观测和认识可以追溯到远古时代。古巴比伦的泥板、古埃及的金字塔、中国的甲骨文,就曾记载着人类对浩瀚苍穹的思索和向往。亿万年来,深邃而神秘的太空从未平静,星辰大海中日复一日的斗转星移,黑洞张开大嘴吞噬光线……恒河沙数的各类天体在太空这个大舞台,上演着一幕幕“太空舞台剧”。

天体物理学家肖可成,便是一位浩瀚星空的忠实观众。不管是在紫金山天文台,在阿蒙森-斯科特南极站,还是在美国哈佛-史密松尼亚天体物理中心,他无时无刻不在仰望星空,观测散布于深黑中若有若无的点点星光,记录下一个个神秘的故事。

“任性”选择,与浩瀚星空擦出火花

祝福家乡
祝福家乡

“天使之城”洛杉矶,位于美国西南部,有着旖旎的风光,都市的气派,集繁华与宁静于一身,那里是肖可成生活和工作的地方。

每当夜幕降临,肖可成会习惯性地收看中央电视台的卫星电视节目,关注发生在大洋彼岸的新闻和故事。而每每出现熟悉的画面,他都会兴奋起来。而他最为思念的,无疑是母亲,是家乡。今年5月,他回乡探望母亲。家乡美丽的山水,令他感到如此温暖,亲切。

肖可成离开家乡已有三十多年,跟《宜兴日报》的记者聊起往事,一口流利的家乡话还是不经意间吐露出来。肖可成从小到大学习成绩一直很好,他是以张渚地区第一名的成绩考上宜兴县中(现江苏省宜兴中学)的。他说:“这一点可能受益于我的父母,他们是教师,对我的教育很重视。”

肖可成很有主见,在报考大学志愿时,自主选择了电磁场和微波技术这个听起来相当“新潮”的专业,他的父母都很支持他的志向。

连肖可成自己也没想到,因为当初“任性”的选择,让自己在后来的三十多年时间里,会和浩瀚的星空擦出火花。

肖可成笑着说:“其实,当时我根本不知道电磁场和微波技术专业会研究什么,也没考虑过今后就业的前景,潜意识里就想学一点跟电气工程相关的专业。”

在南京工学院(东南大学前身)的四年大学时光,肖可成不断汲取着有关微波技术方面的基础理论知识,并一步步激发了对该领域的浓厚兴趣。专业成绩名列全班第一,也让他萌生了继续攻读研究生的想法。

“当时提到电磁场和微波技术专业,名气最大的就是本校的李嗣范教授,他也被誉为‘微波之父’。起初还有点被教授的名头吓到,觉得自己可能还欠点火候,后来辅导员找到我,问‘你专业成绩都排第一了,还怕什么?’于是,我鼓足勇气去报考了。最后录取时,我才得知自己是本校考上的唯一研究生。”谈及自己的大学时光,肖可成话语中透露出满满的自信。

1988年,研究生毕业的他,被分配到了中国科学院南京紫金山天文台。在那里,肖可成开始和天体物理更加“亲密无间”,也找到了施展拳脚的真正“舞台”。

潜心钻研,打开天体观测“窗口”

在哈佛大学亚毫米波天文望远镜前
在哈佛大学亚毫米波天文望远镜前

宇宙历史接近140亿年,对于宇宙诞生时的状态,仍是一个谜团。用毫米波射电天文望远镜可以探测宇宙空间的辐射波谱,从而推断星际物质的成分,逐渐揭开这个谜团。于是,从上世纪80年代起,毫米波如涟漪般久久地在科研人员心中激荡,引发了探寻。

在紫金山天文台毫米波射电天文学研究室里,肖可成担任微波工程师。当时,天文台要在青海高原建一个13.7米的毫米波望远镜。“在当时,毫米波天文学属于高端学科。我们所要建的是中国第一代毫米波望远镜。能在自己工作的第一年,就参与到这个项目中,我感受到了肩上沉甸甸的担子。”

话题涉及严谨的科学领域,肖可成的表情立刻变得严肃起来。他回忆道,望远镜接收机里面需要一个本振源,他设计的3毫米锁相振荡器在众多方案中脱颖而出,最终成功安装在了13.7米的毫米波望远镜上。肖可成进一步解释说,3毫米是当时观测天体物理的热点,当天体信号过来时,毫米波很容易被水汽吸收掉,但3毫米波段的大气衰减相对较小,所以在3毫米“窗口”做天体观测很有意义。但与此同时,要想精确地打开这个“窗口”,重重困难。

“本振源里面需要一个振荡管,但是国内生产的电子固态管性能不稳定,于是需要花费大量精力把设计好的管子放到腔体里面来匹配。基本上100个管子里面只能挑选出一个满足工作条件。”肖可成说,好在经过近两年的反复挑选、匹配、平衡,最终取得了成功。后来,他的研究项目拿到了中科院科技进步二等奖。

在紫金山天文台工作的六年时光,肖可成收获了科研成果,也接触到了国际天文物理领域的更多专家。

1994年,肖可成应日本学术振兴会之邀,以最年轻的特邀研究员身份到日本名古屋大学天体物理研究室作学术交流研究,同时被世界著名天体物理学家福井康雄教授招为博士研究生,从事天文用高灵敏毫米波超导体接收机的研制。

“当时,日本有一个4米望远镜,需要研制3毫米波段超导接收机,并安装上去。于是我就被委以重任。”肖可成解释说,信号从很遥远的宇宙传过来,好比几万公里以外有一个小蜡烛点亮,你要去看它,需要非常高的灵敏度,所以一般技术的接收机是观测不到天体外面的信号,只有用超导器材制作的接收机,才能实现人类能达到的量子极限。用了不到3年时间,肖可成及其团队成功研制出了具有当时世界最高灵敏度的3毫米波段超导接收机。后来,他又被日本科学技术振兴事业团聘为特别研究员。

南极科考,日夜坚守对话星际

2002年在地理南极点
2002年在地理南极点

科学不分国界。1999年,肖可成在德国慕尼黑参加国际性会议时,与来自美国哈佛大学的毫米波天体物理学家安东·史达克相谈甚欢。2001年,肖可成受邀加入了世界著名的哈佛-史密松尼亚天体物理中心。2001年至2002年,他作为课题组AST/RO的驻南极科学家,成为宜兴参与南极科考第一人。

南极是一个童话般的世界,有着湛蓝的天、洁白的雪和艳红的太阳。千百年来,裸呈着冰肌玉骨的南极,以其独特的魅力吸引着人类踏上这充满神奇色彩的冰雪王国。与星空打交道的肖可成,也有幸带着科研任务,踏上了原本只有探险家才会光临的神秘白色世界,度过了不平常的一年时光。

“初到南极,确实有着难以言喻的兴奋和惊喜。但逐渐平静下来后,就不得不和恶劣的天气,以及心理的寂寞抗争。”据肖可成介绍,2002年在南极过冬的专职科学家不到10人,他是唯一的亚裔黄种人。在漫长的日日夜夜里,在位于南极大陆中心地理南极点的阿蒙森-斯科特南极站,操作口径1.7米的抛物面反射式望远镜对话星际,成了他排遣寂寞的主要方式。

南极大陆由于极其干燥的空气、极低温以及极低的大气噪声,成为地球上毫米波天体物理学研究的最佳场所。位于南极的这台望远镜主要用于对银河和麦哲伦星云内的星际物质中的碳原子和一氧化碳分子的谱线观测研究。

“说得通俗一点,就是通过红外和亚毫米波段的观测,试图寻找关于宇宙诞生时一些核心问题的解答,譬如‘星星是如何从星间分子云中形成的’‘地球等行星又是如何形成的’‘原始银河的真面目到底是什么样的’等等。”肖可成说,作为驻南极科学家,他还要负责望远镜的运行、观测及故障检修等工作,“一旦望远镜发生问题,需要我自己解决,否则耽误的就是整整一年的宝贵观测时间和课题。一年下来,望远镜运行顺利,并取得了大量的观测数据,我也提前完成了观测任务。”

在南极的一年里,肖可成还巧遇了来自中国的同胞。他饶有兴致地介绍起当时的场景,他说:“当时碰到的是中央电视台的《极地跨越》摄制组,他们从北极经北美洲、南美洲一直拍到南极洲。当我听到主持人的话筒中传出阵阵普通话时,瞬间觉得倍感亲切。作为这里的熟客,我就带着他们来到了地理南极点,自己也有幸成为了采访对象,并借此机会向国内的亲人传达了问候。”

在南极生活的那段日子里,肖可成和驻南极的同伴们,也在想方设法找“乐子”。“300俱乐部行动”就给严寒中的生活,带去了热度。肖可成说,“300俱乐部行动”需要先在桑拿浴室里闷上几十分钟,达到一定温度后,再光着膀子跑到几十米外的南极点,在冰天雪地中转上一圈再回桑拿浴室。由于温差达到华氏300度,所以称为“300俱乐部行动”。

到了第二年的9月,地平线的尽头开始透出丝丝红光,这也意味着离开南极的日子越来越近了。肖可成说,南极的一年生活经历,有苦更有甜,尽管体重掉了近十公斤,但得到的东西却是无价的。

上天入地,毫米波技术走进生活

和同事聚会交流
和同事聚会交流

从上世纪80年代末,走进天体物理的奇幻世界,到后来在日本、美国与领域中最顶尖的专家共事,肖可成汲取到了最前沿的科研理论,同时也萌生了将天体物理中的毫米波技术带进日常生活的想法。2006年,他离开了科研机构,加入了位于洛杉矶的杜克曼公司,致力于研发应用于生活领域的毫米波产品。

“说起毫米波,很多人可能会觉得离生活很遥远。但实际上,近年来毫米波产品正越来越多地出现在商业应用领域。”肖可成补充道,无论是在公用事业还是医疗保健,毫米波都能发挥重要的作用。“举个简单的例子,在公用事业领域,公路交通拥挤和交通事故曾被视作是世界范围内令人头痛的严重问题之一。在此背景下,一些国家开始着手研究智能公路系统。它们在系统中所用的,就是毫米波雷达。通过这种雷达,车辆与车辆间的测距测速以及防撞预警等应用都将成为现实。”

毫米波技术的广泛应用,也拉开了智能生活“速度工厂”的大门。其中,肖可成目前正在参与研发的5G通信产品,最核心的就是毫米波技术。据介绍,在无线技术出现后,大部分运营商挤进了较低频率的无线电频谱,使得这种资源开始处于匮乏状态。渐渐的,3G和4G时代到来了,各种智能设备的上扬出现井喷式增长,这种资源越来越稀缺。与此同时,用户对于未来互联网的要求也越来越高,速度便是其中之一。于是,5G研发热潮渐渐兴起。

“作为第五代移动通信网络,5G最高理论传输速度可以达到4G网络的数百倍。下载一部电影也就需要1秒钟。”尽管5G产品还未面世,但肖可成对其前景很有信心。他解释说,频谱资源紧张一直被认为5G发展路上的“拦路虎”,而毫米波无疑给了5G发展打了一针“强心剂”。相较于光纤,毫米波设备更加可靠,在传输过程中可以减少延迟并保持稳定。与此同时,肖可成也坦言,毫米波技术也并非完美无缺,自己和该领域的其他研究人员一样,依然走在探索的路上。

值得期待的“5G速度”,也拉近了他与家乡的距离。他说,这些年在美国奋斗,也时刻关注家乡宜兴发生的变化,他也期待着能与国内的企业进行合作,将自己的科研成果普惠百姓。肖可成说:“我最惦记的还是家乡的母亲。每年春节期间,都会带着妻子和孩子回宜兴,和母亲聊一聊在美国经历的一些趣事,也会耐心地倾听母亲讲着家乡发生的变化。”

肖可成

和同事聚会交流

1964年出生于宜兴张渚,天体物理学博士。1988年加入中科院南京紫金山天文台毫米波射电天文学研究室,任微波工程师。其间参与我国第一台,也是最大口径的毫米波射电望远镜的开发工作,由他主要参与研制的毫米波锁相振荡器系统项目获中科院科技进步二等奖。1994年,为名古屋大学4米射电望远镜研制出具有当时世界最高灵敏度的超导接收机。2001年,加入哈佛-史密松尼亚天体物理中心。现在美国杜克曼公司致力于研发应用于生活领域的毫米波产品。

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