“巨镜”梦想：4所顶尖大学的科学家各自筹款，20多亿能赌怎样的未来
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这是中国天文学一百年来的重要时刻，四所顶尖高校和研究机构纷纷提出了自己的地基光学望远镜计划。他们的野心是对宇宙更早期的天区进行更大尺度的观测，探索太阳系之外的宜居世界，星系成长的驱动之源，宇宙生态系统的新物理。
2.5米、4.4米、6.5米到8米，数字的跳跃意味着聚光能力的指数级增长，能够看清更暗更小更远更久的目标，这本该透露着振奋与希望。长久以来中国只能屈居世界主要国家望远镜组团的末流，天文学家们常常挂在嘴边的一组数据是：我国目前最大的通用光学望远镜口径是2.4米，而美国的胡克望远镜在1917年就是2.54米。再发出振聋发聩的牢骚，“我们与国外差了整整一个世纪！”
他们自称是有缺陷的一代，不得已沉迷于精巧的数学模型，在别人淘洗过千万遍的数据中寻觅蛛丝马迹。一位天文系主任感叹道，“30年前，我博士毕业论文就是用2米望远镜写的，我的学生现在还在用，真的觉得咱们望远镜发展的太慢了”。
传统的大科学装置建设是仰赖自上而下的拨款，代价是需要漫长地等待，等待一个政策的春天。大装置的鼓点每五年敲击一次，写在国家的科学发展规划里，投标者们务必一击即中，否则要付出几近停滞十年的惨痛代价。
当然也有些各显神通的妙人得到了企业的慷慨支持与民众的声援，如果用耸动的标题来概括可以是，“见了一面的大老板给我一个亿建望远镜，我叔说这是骗子”，“天文系主任化缘望远镜，小学生的几十块也收”。粉丝们也纷纷支招，在大年初五其中一位建设者发布的为望远镜招财的微博里，有人评论道，“造望远镜和探索太空，建议发行彩票筹集资金”。
天文学家们按耐不住，决心自谋出路。这里的故事当然不能用民间探索、自下而上、第三条道路来概括，望远镜的建设终点普遍设在21世纪的第三个十年里，但陡峭的资金悬崖让这份预期晦暗不明——建造这四架望远镜的总额高达24亿多人民币。
一场建设潮的背后，更多的疑问浮出水面。众所周知的现实是，国际上光8-10米口径的光学红外望远镜就有14台，还有3台30米级的巨型望远镜（24.5米大麦哲伦望远镜GMT、30米望远镜TMT、39.3米欧洲极大望远镜E-ELT）在决赛圈鏖战多年。从口径上来看，这四架望远镜谈不上有多大的优势。中国的天文学界为何不联合建造一架更好的望远镜？是否会沦为低水平的重复建设？一轮建设潮之后，我们能看到怎样的宇宙？
《知识分子》采访了多位望远镜的建设者与用户，几乎所有人都认同，合作是一件更好的事，但在这个阶段，合作又几乎是一件不可能的事。我们需要走出历史的包袱、制度的约束、技术的瓶颈以及聚拢四散飘零的人心与共识，这是中国天文学家自己的求索道路。
当科学家成为说客
一次校友聚会的间隙，东半球最大口径的光学望远镜计划诞生了。
这群浪漫的天文人最初的想法是将望远镜建设与公众科普相结合、公募众筹与定向私募并行筹资。他们承诺建成后将拿出5%左右观测时间向捐赠者和公众开放。
不论是当时还是现在，这样的想法都显得有些石破天惊。毕竟我们的文化里缺少捐赠的传统，同时这也不是建设一个单独的实验室百万、千万的数目，而是5～6个亿。
吴学兵被推上了筹委会主任的位子，这位泛着白发的60后是北京大学天文系的主任。去哪里找那么多钱？过去一年半，吴学兵和同事们奔波于各地博物馆、图书馆、中学、企业，在各种公开场合，北大加州校友会、学术研讨会、大学开放日、产业发展论坛……讲北大人的星空梦想与中国光学望远镜的窘迫现实。
这位科学家，第一次高密度地生活在人群里。活动中他被问得最多的是，有没有外星人？我们会不会被黑洞吞掉？能不能实现星际穿越？这类与科幻作品高度关联的问题。而他实际上更想严肃地讨论科学，想分享他们所发现的几万个宇宙中最明亮的“灯塔”-类星体。
听着热热闹闹，最后盘点下来，公募的进展还是缓慢，而他们的目标是面向公众筹款2000万。定向的大额筹款也并不顺利，除了一位已经实现财富自由的校友所捐的1000万和西华师范大学1500万的合作经费，还没有其他大型企业实际注资。
尽管吴学兵不满意这样的结果，但讲起过去所碰到的难，他还是眯着眼笑，一副平和的样子。对于望远镜他们最不缺的就是乐观。他说众筹2000万当然不容易，但最重要的是让大家了解成长型通用光学望远镜（Expandable Aperture Segmented Telescope，下文简称“EAST”，6～8米，分两期建设），提高大家对科学的关注度和参与度。
成长型通用光学望远镜EAST示意图。图源：EAST官网
他们做了一些学校想做而没能做的事，早在2016年，南京大学便开始为自己的太阳望远镜筹款，但碍于学校基金会没有公众募捐的资格转而走向私募。如果EAST项目的公募做成了，它可以被冠之为“首个全民参与建设的大科学工程”，即便没做成，也是一次有益的尝试。
吴学兵也讲他的“怯”，是一位在书斋里生活大半辈子的人面对现实世界的不安与挫败，“有些事情很难和人家（企业）开口，我不知道他们想了解什么，也不知道他们有什么需求，有时候如果有特别难的需求我们可能也没法满足”。
所有的忙碌都是为了下一代的科学目标，成为科学家的三十多年里，他放弃了太多事情。科学原本是最自由的探索，而天文学沉重的现实在于它由观测驱动。世界上最早的10米望远镜凯克望远镜的造价是1.3亿美元，欧洲南方天文台4台口径相同的8米VLT耗资超过5亿美元，在这些“大眼睛”的视线范围内，直接孕育了2020年诺奖超大质量黑洞发现的成果。十多年来，从宇宙加速膨胀、中微子振荡、引力波到黑洞，天文观测设备的进步推动着科学的发展。
我们也并非出不起一个光学望远镜的钱，只是天文望远镜是一个庞大的家族，并且现在已经步入了多信史/全波段时代，射电、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线……已故著名天文学家王绶琯曾用“百骑争驰，逐鹿中原”来概括天文学“设备竞赛”的发展格局[1]。
但拥有400多年历史、最主流的光学天文是我们欠账最多的分支。2021年时任中科院国家天文台台长常进在接受《科技日报》时表示，“（我国）射电天文一枝独秀，光学天文与国际水平相差比较大”[2]。
对于光学天文，吴学兵最为自豪的是，“它可以看见宇宙最美丽的图像，而其他的波段大多只能看见密密麻麻的点和线”。光学望远镜能将织锦般的宇宙尽收眼底，而不是目光无法捕捉的飘渺的电磁辐射。用最传统最古老的方式，去看创世之书中的某个段落。但科学的资助逻辑不是这样，是有多大的实用价值，是能否迅速实现赶超，是出了多少重大科学成果，是职业金字塔中资历、奖项、帽子堆叠的话语权。
望远镜的时间极其宝贵，一年里只有稀少的几个夜晚属于吴学兵团队。他的许多高红移类星体都是通过多年前建成的云南丽江和河北兴隆两台2米级望远镜进行观测初选，再利用国外中大型光学红外望远镜后续观测发现的。还有一些目标只能放弃，“实在太暗了，根本不知道是什么，很难去写观测申请去要国外的时间”。即便有时用到国外的望远镜也要支付高额的使用费，一般的中型望远镜10～20万人民币一晚，好点的大型望远镜100万一晚。他说，“我不太愿意花钱做这样的事，有时候会问问在国外的学生和合作者看他们有没有观测时间，但不管怎样都不可持续，人家也有人家要做的观测课题”。
而作为系主任，作为老师，这样的遗憾就更多了。他说，“30年前，我博士毕业论文中的观测就是用国内2米望远镜做的，我的学生现在还在用这一望远镜，真的觉得咱们光学望远镜的发展太慢了”。他还表示，很多学生目前在国外工作，做观测都是用6～10米的光学近红外望远镜，现在他们即便回来也发挥不了作用，因为国内没有大型光学红外望远镜。
建设望远镜也是一种历史责任，是这代人给下代人的承诺与财富。
距离这所顶尖高等院校不到一公里，年轻的天文学家蔡峥在2018年也开始酝酿着另一个大望远镜计划。他是清华大学天文系副教授，宽视场光谱巡天望远镜MUST（MUltiplexed Survey Telescope，6.5米）的项目经理，这个80后决定从国外回来造望远镜。
MUST的筹款经历多少有点传奇，连很多蔡峥身边最亲近的人也不太相信。MUST的“第一桶金”来自一次临时起意的饭局。那是2018年6月下旬去广东找同学谈合作的间隙，同学提议找自己的朋友带俩人吃饭，刚好朋友的老板陈先生也在，四个人组了一个局。席间陈先生就提问“宇宙有多大，怎么越来越远”之类的，兴之所至，蔡峥分享了多年的思考“我们有两个机会在世界望远镜格局中可能会实现领先，其中一个是地基的光谱巡天望远镜，可能需要6亿；另一个是空间红外，需要几十亿。”。
陈先生说：“蔡博士，你看我来给那个6亿的项目做一点小小的帮助吧”，这也是MUST第一个“亿元”左右的投入。“回想起来当时真是一小孩，不少预算都低估了”，他反复地说，“随着这几年，很多情况的变化、深入的核算，地基光谱巡天项目得14个亿左右”。
蔡峥回家后与家人谈起在广东的经历，所有人都觉得他遇到了骗子，连他有20年外事经验的叔叔也表示，“你太天真了，到时候都不知道怎么被骗的”。然而这么多年，对方按照约定分期到款。
接下来的两年，项目在筹资、团队方面都没有很大进展，“当时很恐怖，每天半夜都会惊醒，但项目并没有停滞，只是有时不知道能否做下去，直到2021年3月，在学校的大力支持和多个部门指导下，天文系和精仪系组成了比较稳定的团队，同行者越来越多”，回忆起那段日子蔡峥说。
虽然曾经有多次意向捐赠的资金，但企业这些年的捐赠受时局变化影响飘忽不定，国际关系也在变化。学校、国家的支持和托举，这才是项目平稳推进的关键。
他的言语中带有一些自信与，就算是年轻人也少有的激情和热血。
尽管筹款充满了无数偶然，但还是和发起者的风格有很大关联。不止北大和清华，中国科学技术大学和中国科学院紫金山天文台的WFST（墨子巡天望远镜，2.5米）依靠1个亿的教育部“双一流”学科平台建设经费于2023年9月率先获得首光（第一缕光），上海交通大学同年也公布了JUST（大口径多功能光谱望远镜，4.4米）的建设计划，一期投资2.15亿，其中1个亿已基本稳定，主要来自于教育部的低息贷款。
中国科学技术大学天文学系教授、WFST总设计师孔旭这样介绍建设的初衷：“中科大天文学科在教育部第四轮学科评估中被评为A+学科，当时我们就在想，学科进一步发展的着力点在哪？2015年原中科大校长侯建国提出了“科教融合”战略。中科大天文学系与中科院紫金山天文台于2016年通过“科教融合”，成立了天文与空间科学学院，但一直缺少合作科研平台，科教融合缺乏深度。2018年3月两家机构启动联合研制“双一流”学科平台墨子巡天望远镜”。根据协议，中科大主要负责望远镜的研制和建设，紫金山天文台主要负责望远镜的运行和维护。望远镜已经于2023年9月正式启用，正在开展天文观测，望远镜每年数百万的运行维护费用，“是一件比较头疼的事情”，孔旭坦言。
四台望远镜的主要指标。知识分子综合自各望远镜官网数据以及采访对象补充完善。制图：冀思宇
高校为何不约而同选择了建设光学望远镜？一个契机是“双一流”建设期间许多高校都拿到了一笔上亿的资金，要把这笔钱花出去，长期作为短板存在的七大基础学科之一天文学是不错的选项，这里有看得到的增长空间。有了望远镜才能有人才、有文章、有学科的飞跃。不过高校的财力毕竟有限，要想要更大的望远镜，还要有做事的决心和成事的能力。
这是一场事在人为的博弈，先上车再补票虽然有些疯狂，但如果不冒着风险那将一事无成。
一次崩盘的合作
一夜之间四个望远镜纷纷上马，它们有什么不同？为什么不能合力建一个更大的望远镜？
这要从一次合作的崩盘说起，那是全国范围内天文学家票选出来的排名第一的大项目，是发改委“十三五”规划中优先布局的重大科技基础设施，即12米大口径光学-红外望远镜（下文简称“LOT”），国家计划投资额约20亿。（更多争议细节详见“知识分子”过往报道《中国天文界公开争论：“世界最大”光学望远镜该怎么建？》
矛盾在2017年8月到达顶峰，两封院士级别专家发出的针锋相对的公开信将LOT项目“三镜”“四镜”的技术路线争议昭告天下。
三镜系统的支持者认为，这是国际上更为成熟的方案；而四镜系统的支持者认为创新才是不二选择。
相比三镜系统，四镜系统在主镜M1后增加了额外一面反射镜M3，因此必须增大M2镜片，并在M4镜片上开孔。
争议围绕着“开孔”产生。讨论集中于，四镜开孔产生光损失以及镀银膜补救的可行性；根据不同视场观测更换第四镜是否会增加建设成本和运行风险；主焦点设置是否增加圆顶尺寸和造价；悬吊反射镜的设计是否增加空气在镜筒内的湍流，从而影响望远镜的成像质量。
由天文大科学研究中心和中科院分别组织的两次评审是事件的关键节点。当年4月，大科学中心先是组织了一场由哥本哈根大学的天文学家Johannes Andersen领导的9人国家专家组评审，其评议报告表示，“在视场范围，操作灵活性和造价等方面的指标上，四镜的SYZ系统均不如RC或AG标准三镜系统”。
正当大科学中心准备将三镜系统写成项目建议书通过中科院上交国家发改委时，7月中科院内部又重新组织了一次由21位国内专家组成的评审会，最终以“11票支持，3票反对，7票弃权”选出四镜方案为最终推荐。
双方都相互指责，己方落败的评审不公正。一方表示，4月的国际评审是一场“根据授意做，走过场”的评审，“评审专家大多不是望远镜光学专家”。而另一方则指出，7月的评审没有三镜方案建议者来报告和介绍，“21位专家评委名单是笑话，有些人一辈子连望远镜都没碰过”。
资深天文专家纷纷发声参与公共讨论，百余名青年天文学者就望远镜设计方案发表公开信，企图通过对话促进项目的进步，但两方始终无法达成一致意见。最后官方的回复是“存在争议的项目发改委不予受理”。
这次争论深深伤害了天文学界，时间仿佛停滞了。虽然偶尔有零星的消息流出，但项目本身并没有进展。不解决LOT的争议，无法从国家层面获取新的大望远镜项目。七年过去了，一些人的态度是摆摆手不愿再提，一些人则说，“等他们老了，吵不动了，事情就这样过去了，就能翻开新的篇章了”。
有缺陷的一代
但中国长期以来缺少大望远镜的事实无法更改，继续踟蹰不前，我们就会落后得更多。
当初LOT定在12米口径的原因之一，是希望赶在2030年国际30米口径巨型望远镜落成前，一举成为世界上口径最大的光学望远镜，打一个时间差。而现在我们原本落后的两个时代（4-6米级，8-10米级）不仅没有办法追赶，还眼睁睁地看着2030年新时代的钟声不断靠近。正如LOT项目概念设计方案国际咨询专家组组长Johannes Andersen在接受《Science》采访时说道，“我担心中国天文学正在陷入一个需要几十年才能够修复的灾难……”[3]。
天文世界里有四种人，观测者、理论家、仪器建造者和数值模拟者。没有设备人就不可能出来，这个小圈子里大多数人常常戏称自己是“有缺陷的一代”。最直观的是论文数据，《中国天文学2035年发展战略》指出，2015～2019年，每年被引频次最高0.1%，共69篇论文，其中52篇（75%）是基于天文大观测设备的第一手数据的科学论文和技术方法论文，中国学者无缘这 69 篇顶级论文[4]。
紧接着是大家身边的感知。一位985高校光学天文方向的青年学者指出，自己所在的新型研究院90%多的人都是做理论的，“大家基本上都不碰观测数据的，只是做模拟或者一些解析去解释这些现象，很难产生非常原创的成果”。
2011年天文学界开始实施的“有偿使用国外望远镜计划（The Telescope Access Program，下文简称TAP）”，以现金投入方式使我国天文工作者能够分享国际大中型光学/红外望远镜观测时间，其最初目的是培养有经验的光学/红外观测群体，为未来LOT和国际巨型望远镜观测储备人才。
TAP项目早期的望远镜有加拿大-法国夏威夷望远镜（CFHT，3.6米）、帕洛玛望远镜（Palomar，5米）、多镜面望远镜（MMT，6.5米）、麦哲伦望远镜（Magellan，6.5米x2）[5]。近些年随着经费的缩减，MMT和Magellan已不在购买范围内。
这十多年来的改变局内人有目共睹。中国科学院国家天文台刘超研究员是TAP项目的用户之一，也多次参与过TAP项目的评审。“最开始的时候，很多观测申请完全是一个不懂观测的人写的，一些观测的基本要素都还没有搞清楚，但是后边越写越好。再到后来一些非常有经验的观测天文学家，他经常拿不到时间了，以往他都是轻轻松松拿到时间。从某种意义上讲，大家越来越明白观测是什么是怎么回事儿，越来越懂观测了”，刘超分享道。
中国科学院国家天文台星系宇宙学部主任陈学雷这样讨论单纯理论研究的局限，“我们常常接收到比如来自巴基斯坦和伊朗这样缺少观测设备的国家的学者的论文，这些都是由非常聪明的科学家撰写的。然而，这些论文往往过于理论化，非常脱离现实，有点像钻学术牛角尖的感觉，在一个不太实际但理论上可解的问题上面来回深耕，将数学模型处理得多么精细，多么复杂。中国早年的研究风格也曾是如此。我记得我在当研究生的时候，我们所写的论文包括我们的导师所写的论文，好多现在看起来也是没什么实际意义，纯粹钻牛角尖的研究。然而，在当时的情境下，我们也别无选择，只能从事这类研究”。
天文学家们的行动和反思
一部分天文学家想要行动起来，隔了七年来看，他们也有更多的反思。
黄崧是清华大学MUST项目焦面系统的负责人，也是项目青年学者之一。在过去为MUST“交学费”的一年里，他慢慢体会了“科学驱动的工程项目”这几个字的重量，他形容科学目标的落地过程就像“水从阶梯上流下来一样”，是一套非常复杂开放性且有挑战的定量评估系统。工程师投入极大的精力来钻研项目，而观测者/科学家也要为了共同的科学目标服务工程师。
以MUST焦面系统为例，在一个直径1.2米左右的圆形“大锅盖”上，需要承载300多个三角形的光纤定位器模块。每个边长约7厘米的三角形模块中将极其精密地排布着63个样貌孱弱的光纤定位器。每个直径只有6.3毫米的光纤定位器中将装有2个微型陶瓷马达，拖着一根长长的光纤，更要直接承载起MUST的科学观测能力。起初，黄崧天真的以为“模块”的安装如拼乐高一样直接，但很快他就被上了一课：为了让模块里的每根光纤都能尽可能完美地贴合非球面的望远镜焦面并达到最大通光效率，每一根定位器的倾斜角度都需要缜密的设计，要费九牛二虎之力。得益于团队内优秀的青年工程师和合作者，这一问题才初步得到解决。
MUST的概念设计示意图。图源：清华大学官网
然而麻烦远不止于此，焦面系统在随望远镜移动过程中会因自身重力产生弯沉。就像一根特别长的扁担举久了，自然会有变形。如果不仔细优化，光重力弯沉就能有40微米。他最开始对这个数字并没有什么概念，觉得完全可以忽略。直到发现定位器的顶端和焦面在某一个方向上误差不能超过50微米，而40微米是没有包含马达工作产生的热形变时，他才意识到科学需求岌岌可危，只能再次靠工程师出手相救。每一个细节，从散热形变到安装精度、调试精度、可靠性、稳定性、维修方式……这些都变成了和科学挂钩。
做科学的不懂工程，做工程的不懂科学，两方的指责最后都会演化成一种知识上的傲慢。跨越这些傲慢需要耐心、宽容以及现实的操练。
MUST项目行进的过程中，蔡峥曾在自己的公众号“蒸菜随笔”上写下这样一段话：从Steve（Steve Shectman，美国科学院院士）的身上，我们可以窥见麦哲伦望远镜成功的一些原因。也许最重要的，不在于单元技术有多先进、经费多富裕、团队多大、人多聪明；也在于人心，在于是否能够真诚相待，团结得像一个人。包括单位内部，也包括与外协单位之间的团结，是否充分沟通，直抒胸臆、就事论事地充分讨论。尽可能放下“我执”，对峙固有的习气，成为充分融入江河大海的一滴水。“境随心转”，内心对了，外界就对了。
上海交通大学物理与天文学院副教授、JUST望远镜系外行星方向负责人冯发波介绍了马克斯-普朗克天文所的经验，“他们做仪器和做观测的人都在一起，讨论沟通非常多。国内做观测的学者相对较少，而既懂观测又懂仪器或者能够和做仪器的人进行深入沟通的就更少了。国内通常的做法是把一个项目包给某个研究所去做。因为做仪器的不懂科学，做科学的不懂仪器，所以项目的建设过程是缺乏优化和迭代的。而研发高精尖的大科学装置是一个需要不断磨合、优化和迭代的多个学科和部门共同合作的系统工程”。既懂仪器设备又懂观测这种通才无论在哪里都是稀缺的，但是懂科学与懂技术的专家理应彼此学习彼此合作。
成一个大科学项目很难，摧毁它却很容易，只要有一方守不住底线，事情就没有办法进展。这种争吵放在任何国家的大装置建设历程中都可能是一个必要的波折，具体到天文领域，日本的“昴星团（Subaru，8.2米）”望远镜也付出了近半个世纪的努力和探索。昴星团的口径和设计充满了争议，期间一度演变为“京都大学海外红外望远镜派”与“东京大学国内光学望远镜派”间的矛盾。日本天文学界通过十余次不同主题的公开学术会议、成熟学术社区的专业服务才弥合裂隙，合全国之力造未来之镜[6]。
黄崧曾专门梳理过这段史料。有意思的是，当年事件里的许多人，从“大领导”到工程师都写过各种各样的总结、感悟文章反思过往的得失。更有全程参与了项目的人，把“大望远镜”的建设过程写成80多页的历史文档，从“日本战败后经济恢复”写起，详细到每一次重要会议都记录在案。正是这样诚实地面对矛盾和纷争，我们的邻居日本天文界从和我们差不多的位置，一举成功迈进了世界前列。
多年以来，国内天文界长期缺乏交流、缺乏规划几近是一件公开的事。2021年在季华实验室召开的大口径光学望远镜需求与发展研讨会上，全国政协教科卫体委员会副主任、季华实验室理事长曹健林就指出，天文学正处在爆炸式的增长时期，但长期以来学科规模不足，因此大家不够开放，不愿交流，固守在自己的学科领域里；即使在本领域里，大家还是各唱各的调[7]。
有天文学家说起过往的经验教训，“有些项目通常是自己给自己反对没了”。而现在，在提出一个新的设备前，他们往往会提前问询一下兄弟单位是否有意愿布局，如果没有，到时候上会不要反对。
许多受访者都会尝试讲国际的科学传统，讲成熟的学科规划系统。不论是美国天文界的Decadal Survey、粒子物理界的P5（Particle Physics Project Prioritization Panel)，欧洲天文界的AstroNet，还是日本天文界的“光赤天连” (GOPIRA）都是极具公信力的存在。其随机的生发过程无外乎，一小群人出一笔小钱花极大的精力向学术共同体公开收集信息、公开讨论，主导兴趣方向和科学判断，从而为资助机构提供参考。以美国天文界的十年调查为例，每次光调研时间就长达2年，哈勃空间望远镜和詹姆斯·韦伯望远镜这两个数百亿美元的巨型“抽水桶”都是由十年调查来推动落地的。
“反观国内，许多规划制订时间往往非常紧张，负责调研的人征求到一些有关材料后就拼凑成报告，常常缺乏交流和反馈的过程。更重要的是调研一般通过行政渠道进行，局限在一个很小的圈子里，科学同行的意见难以影响规划，反映的是少数人的意志”，一位天文学者早年曾在科学网博客中写道[8]。
无数道理，往往都需要亲自撞得头破血流才能真正领悟。有时候，甚至撞得头破血流也难以改变。
望远镜太多了吗？
前有声名显赫的“中国天眼”FAST，我们的望远镜图谱究竟是太多还是太少？
在天文学的分支学科里，光学天文、射电天文和空间天文三足鼎立。FAST将我国单天线射电望远镜推向世界前列，“悟空”和“慧眼”等空间望远镜也在21世纪纷纷登场，但上一次光学天文大型设备的落成还是2009年的4米口径的LAMOST，在国际主流30米巨镜前难以招架。
部分较大型观测设备（仅限在用设备）资料来源：《中国天文学2035发展战略》 制图：冀思宇
四个望远镜纷纷以不同的方式在为天文学界探路。但又都号称“最大”“最强”，拨开这些迷雾，真正的科学能力应当如何评估？
一位资深的天文学家告诉《知识分子》，“存在重复建设的可能性”。还有人在望远镜最开始出来的时间里就在打听，就算从国家层面无法联合，学校与学校之间为什么不能一起做事？
我们把这个问题抛给了北大和清华的天文学家们。吴学兵的回答是，“北大牵头做的是目前非常紧迫需要的通用型光学望远镜，清华做的是专用光谱巡天望远镜，科学仪器暂时无法同时兼容，科学目标也不尽相同”。
而蔡峥的回答是，“不同学校之间怎么共同投入一个项目，还需要更多思考。也许，不同学校都想抓总牵头，比如，你让一个学校给不是该校主导的项目投钱，在目前的体系下，也许没法交差”。
脱离建设者的声音也充满了无奈。北京大学物理学院院长高原宁曾告诉《知识分子》，“我希望这不是任何一所学校的望远镜，而是天文学界希望建设的望远镜”。
从现有的方案来看，清华、上交、中科大都是专用巡天望远镜，其中上交和清华是光谱巡天。
宇宙并非一成不变，而是动态演化着的。时域巡天，即通过大视场巡天望远镜对同一天区开展多次观测，发现亮度和位置变化的天体。孔旭介绍道，“时域天文学在过去10多年已经成为天文学和相关物理研究的重大突破方向，在超新星宇宙学、引力波直接测量、系外行星发现等重要领域产出了一批重大科学突破”。WFST具有2.5米的大口径，可收集到来自遥远宇宙深空的光子；配备大面阵7.65亿像素高分辨率拼接CCD（即电荷耦合器件）探测器；具有6.5平方度的大视场，可通过对同一天区的高频次反复观测，捕捉稍纵即逝的天文动态现象。
墨子巡天望远镜WFST。图源：WFST官网
相比于科大的测光观测，光谱观测能将星光分解为一条缤纷的彩色条带，这些全是光的不同形式，区别仅在于波长。条带能增加信息的丰度，包括恒星或星系元素的丰度（含量）、质量、自转速度、温度、年龄、视向速度等等。如果说测光观测获得的是宇宙的二维地图，那光谱能将地图变为三维，并且拥有更高的分辨率。
WFST拍摄首张仙女座星系。图源：WFST官网
而2008年建成的郭守敬望远镜（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope，LAMOST）也是光谱巡天，尽管因为河北兴隆台址光源问题，LAMOST仅能扫描银河系的天区，但二期工程将搬至青海，问题也将有所改善。三台光谱巡天仪器（MUST、JUST、LAMOST二期）将在统一赛道争夺注意力。只北大一家是精测型望远镜。
刘超提到了望远镜布局层级的概念。以加州理工学院为例，帕洛玛天文台中1.2米搭载ZTF相机的Samuel Oschin巡天望远镜承担着大样本普查的功能，当出现非常有意思的瞬变源时，马上会用同一个台址的5米望远镜进行后随观测。如果目标依旧很暗，5米望远镜够不到或者希望获得更高分辨率的光谱观测，他还可以用夏威夷的10米凯克望远镜来观测。假如30米望远镜按照计划往前推进的话，甚至还可以用30米望远镜做更好观测，去兜底。“这样的链条非常容易出一些大的成果”，刘超说。
回过来看国内，大家更热衷于建巡天望远镜。刘超分析，“如果巡天望远镜都是在4～6米，观测的目标通常比较暗，6~8米的望远镜很难去做很好的后随观测，可能需要十几米的望远镜，甚至更大才比较合理”。
冯发波也承认在这轮望远镜建设中，缺乏精密测量的能力，在精测望远镜上配备自适应光学、星冕仪以及干涉仪等精密设备，可以弥补JUST、MUST的不足。
而早在2016年题为“中国地基大口径光学红外望远镜的科学与技术发展战略”的香山科学会议上，与会专家亦表示“要注重高精度的精测望远镜与巡天望远镜的配合”，“当前光学望远镜，精测要求可能更迫切一些”[9]。
既然这是项共识，那为什么依旧偏爱巡天？刘超解释道，“巡天对重大科学成果产出是有保障的，这也是资助者所关注的。巡天的科学目标都经过仔细地选定，同时也比较集中，未来数据量上来以后，一定可以去解决相应的科学问题。同时总会有人在这些庞大的数据上依靠发散的思维和想法，做出有意思的拓展性工作，这件事情已经在LAMOST上进行证实了，所以巡天从投入产出比上是比较划算的”。“而精测相当于提供服务，大学运行一个巡天望远镜已经很不容易了，做一个精测望远镜应对天文学家的各种繁琐需求，有点强人所难”。
大装置不因科学家想要自由地看星空而选择，只有清晰的科学目标和预期结果才能打动评委、决出重围。同时由于4个望远镜3个都属于巡天，对于“按需服务”的TAP这类项目的替代性并不高。
对于MUST的科学目标，蔡峥心系的则是另一个问题——MUST有希望跻身第五代光谱巡天装置的国际前沿，在缺失的版图中用中国身影来填补，“你终究是站得高点儿，让别人、别的国家觉得你对他们是有帮助的，可以与他们互补协同的，久而久之，也许就能更好地合作，MUST就是这样一台能与欧美下一代主流设备互补协同，共同探索的望远镜”，蔡峥说。
今年1月出炉的美国粒子物理P5报告(Particle Physics Project Prioritization Panel)中提到了一台使用6米级望远镜同时观测上万个天体的“第五阶段”宇宙学光谱巡天计划。由于项目并未立项，在报告里被概括称为”Spec-S5″。看到这个消息，黄崧怀着兴奋又忐忑的心情写了一段微博，“MUST项目，是一架完完全全在技术和科学上对标Spec-S5的科学项目 (我们设计支持的光纤数稍逊，在20,000左右)。而我们，已经进入了细致设计和建造阶段！破天荒的第一次在一个光学-红外天文学领域的项目上、在一个观测宇宙学项目上，我们似乎看到了一个自己都不太敢相信的站上领先位置的机会！We MUST Take It! ”
应当选择弯道超车还是在竞争最激烈的领域上奋力追赶？这是一个经常出现的科学目标的选择问题。
陈学雷表示，“从理论上讲，谁都想弯道超车，想走一条捷径。从实践的效果来看，新出现的领域或许可以，但主流领域不能避免。如果是一个小国，集中钻某个领域这能说得通。荷兰是一个典型，他射电天文学尤其是低频射电特别好，这是荷兰人的策略。但中国又是个大国，我们不一定非要专某个领域，当然我们也有专的，我们太阳物理在国际上挺领先的，射电现在也算比较好了，但作为大国总体还是要均衡发展。不能说通用光学大望远镜落后我们就不做了，毕竟光学是最重要的研究方向，我们不能舍弃”。
清华选择光谱巡天的思路和当时LAMOST很像，陈学雷介绍，“80年代提出LAMOST建设计划时，考虑的也是在哪个方向还有点希望，最后讨论下来发现当时新出现的一个东西叫多目标光谱观测的，大家都刚开始搞，我们这样插进去可能还能领先”。
但不论做哪种选择，一个国家要拥有望远镜的理由都是渺小的。黄崧回国两年多了，每年都会面向全校本科生上一门观测天文学的通选课，很多非物理或是非理科的学生会来听。两年里，他做了相同的课前调查问卷，其中一个问题是“下面这些观测天文设备或项目，你听说或熟悉哪几个？”。
问卷的结果令他甚为惊讶：所有学生都知道FAST射电望远镜，而每年都有40%左右的学生不了解JWST（詹姆斯·韦伯空间望远镜）是什么。尽管样本量不太大，但也颇为震撼。为了“公平”，他特意没有将FAST更有名的称呼“中国天眼”印上。要知道那可是大名鼎鼎的詹姆斯韦伯望远镜，是全世界天文学家即便排着队也要争着去“使用”的花费了100亿美金的有史以来最昂贵的天文项目，两者身价天差地别。
自己设备的好处仅在于此，是我们也有平等地机会了解宇宙，理解那些微弱讯号的意义，用我们间独有的语言向天空的最深处要一个答案，能够好奇且不断求索。这也是四个望远镜所有捐赠资金共同的愿望，不论它来自哪里，它都来自渺小的个人。
给下代人的承诺与财富
废弃的青海冷湖石油小镇，苍凉的赛什腾山是四个望远镜的落脚点。WFST已在海拔4200多米的C点仰望寰宇。C、B、A，呈阶梯状的，更大的望远镜占据更高的位置，不久地将来，MUST的圆顶将闪耀在4350米海拔的高山上。
MUST给出了一连串设计数据彰显自己的地位：口径6.5米，光纤数20000多根，光谱仪40台，而同为光谱望远镜的JUST在这方面显得单薄，口径4.4米，光纤数2000多根，这显示了光学能力的代际差异。黄崧和冯发波都认可两者科学目标的重叠，但为了避免在星系宇宙学上的直接冲突和竞争，JUST未来的发力点将倾向于星系团宇宙学、时域天文以及系外行星。
JUST示意图。图源：JUST官网
冯发波解释称，“高精度的光谱观测是非常昂贵的。根据我自己使用麦哲伦望远镜PFS光谱仪的经验，得到一幅高精度二维光谱图像需要大约半个小时的曝光，所以，多一台光谱仪肯定会对高精度光谱测量相关的科学有更多的贡献。和国际上的星系光谱巡天相比，清华的MUST可能更有优势，JUST可能和国外相当。而除了星系光谱巡天之外，时域信号的光谱后随和系外行星的视向速度探测是国内目前最缺光谱仪资源的领域”。从引力波对应体、潮汐破坏事件到超新星，时域天文足够广泛，他认为，JUST将要配备的高精度光谱仪能够填补这些空白，系外行星也是如此。他还强调4-6米口径望远镜的出现为国内学者带来了更多的观测时间，降低了申请大望远镜时间所带来的时间和经济成本，弥补了国内中等望远镜缺失的局面。
在科研世界里沉淀久了的人，反而对竞争看得更淡。蔡峥常常说“宇宙足够大，足够容下我们，我们也不怕竞争”。陈学雷表示，“竞争和分散不是坏事，一个想法这家不认可，另外一家认可。如果只有一种声音的话，一个好的主意就埋没了”。
建成时间也同样重要。冯发波表示，“因为清华可能还要很长时间才能建好，我们2026年就能获得首光，然后能够尽早出现成果，毕竟这个领域竞争还是挺激烈的”。吴学兵也在课堂上开玩笑说，“EAST的首光时间是2028年，也比清华早”。
说到重叠，两个诞生于美国本土的巨型望远镜（TMT和GMT），也面临着需要花两份钱（超过30亿美元的成本）建目标相同的两个巨型望远镜的局面。他们的分歧在于加州理工学院和卡耐基研究所之间长达一个世纪的历史恩怨。
两家机构曾在本世纪初的第一个十年里坐在谈判桌上但多次融合未果，然而随着时间推进他们已在各自的项目上投入更多，无法抽身。许多大学和国际伙伴都被他们同时追求。2018年他们组成了US-ELTP（The United States Extremely Large Telescope Program，美国甚大望远镜计划）用一些的互补来说服NSF，诸如各自分布在不同半球、更多的观测时间、科学仪器互补。故事到这里大家原本认为NSF会咬咬牙为两个望远镜买单。
但今年2月美国国家科学委员会（NSB）宣布了对US-ELTP设定16亿美元的资金上限，因为该提案将占用 NSF重大项目资金的80%，不能容忍其他领域陷入饥饿。天文学家的畅想轰然倒台。
在撰写巨型望远镜争议的诸多文章中，欧洲南方天文台E-ELT望远镜首席研究员Roberto Gilmozzi曾指出，“如果不考虑钱的问题，望远镜越多越好。从科学的角度来说，只要能负担得起建造费用，我希望有100个巨型望远镜”[10]。而在国内的望远镜建设潮中，一位天文学家也向我们发出相同的感慨，“小孩子才做选择，成年人什么都要”。
在望远镜诞生的400多年历史里，许多革新是由天文学家们的竞赛推动的，但如果只有竞争没有合作，我们将陷入封闭的循环。就算四个望远镜都建成了，运行费用也将会成为每一个建设者长期的难题。过往的经验表明，大科学装置每年的运行费用大约是建设费用的10%。
他们一边忐忑，一边期待。有人说，迄今为止还没有存在一个大科学装置建成了但国家不管运行的事情出现；也有人提到FAST，他们的人每年都为1亿的运行费发愁但国家每年都能给解决；还有人无比乐观地说，自己望远镜的运行费应该只有百万，因为我们的人本身有工资。共享冷湖的公共设施都被大家视为一种摊低成本的出路，与天文界分享望远镜的时间和数据也是目前彼此的口头承诺。
但很多天文学家担心，这些都太过轻巧了。合作不会自然而然产生，它需要机制的引导与补偿。“把宇宙的数据藏在自己的硬盘里”听起来是一件非常可笑的事情，但身在学术圈这从不是件新鲜事。陈学雷举例说，比如A校建成了望远镜，B校的人想付费去使用，但问题是B校的钱也不是从兜里掏出来就能用的自己的钱，也是从各个机构申请的研究经费，经费里并没有一个名目是给望远镜运行的，资金转移起来并不会很顺畅。运行维护的质量与合作沟通的深度都会影响这些望远镜潜力的发挥，不过这些都是后话了。
1964年美国第一个十年天文调查出台时就将目标对准地基中型望远镜，我们的这一轮建设远远谈不上领先。冯发波说，“这相当于从无到有、从河内到河外的跳跃”。黄崧说道，“我们都是在补课，大概等到2030年左右建成的时候，能够追到和国际差三四十年的样子。之后的追赶不取决于天文界，光一个大望远镜没有用而在于搭载的科学仪器，红外探测器、自适应光学、大镜面共相等等，这取决于国家有多大的动力解决这些高精尖的技术差距”。
刘超更看重“破冰”的意义，他说，“可能不会一下子达到非常理想的战略布局，因为是各个学校自发组织的，但是一个很好的开始，让大家从各种层面认识到望远镜很重要”。
在大型、极大型望远镜之前，中国高校决定先迈出中型望远镜建设的一步。因为既不可能看着时间流逝，蹉跎岁月，也没有足够的条件筹措到合作的资金，没有办法因为大家的竞争去指责谁，毕竟谁不想要大望远镜呢？中国的天文学家没有野心吗？如果一开始我们的氛围是鼓励合作、开放包容，我们会有大望远镜吗？等到所有的路，所有的难都淌过，或许才能知道真正适合天文界的是哪条路。
感谢国家天文台苟利军老师对本文的帮助。
参考文献：（上下滑动可浏览）
[3]https://mp.weixin.qq.com/s/jotYxuyU4FiHf-_iS0vyaw [4]中国天文学2035发展战略/“中国学科及前沿领域发展战略研究（2021-2035）”项目组遍.北京：科学出版社，2023.8 [5] https://www.nao.cas.cn/news/ky/201212/P020220325607099226481.pdf [6] https://mp.weixin.qq.com/s/hbdm3d9ewGaeTWGG2H7TzQ [7] http://www.jihualab.com/gjhzyqk/xsjl/202305/t20230508_741403.html [8] https://wap.sciencenet.cn/blog-3061-356945.html?mobile=1 [9]https://xssc.ac.cn/waiwangNew/index.html#/xsscNew/meetingdetailsNew/721/jkxq[10] https://www.sohu.com/a/58046694_121315
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