子午工程——麗江臺(tái)玉龍站光譜成像日冕儀

子午工程——圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡。

子午工程——威海臺(tái)榮成站米波太陽(yáng)射電頻譜儀12米口徑天線。

當(dāng)我們仰望星空，究竟是如何“看到”宇宙的？當(dāng)我們俯視大地，又是如何“讀懂”世間萬(wàn)物的？人類對(duì)世界的感知始于光，但光只是電磁波中的一種。從自然界的動(dòng)物視覺(jué)進(jìn)化，到人類高科技觀測(cè)設(shè)備，我們“看”世界的視角，已經(jīng)由可見(jiàn)光波段拓展到電磁波全波段。

人類為什么能“看”

??人類能看到世界，就是因?yàn)殡姶挪ā?/span>

??在地球生命進(jìn)化史上，眼睛的出現(xiàn)是一次劃時(shí)代的事件，意味著動(dòng)物開(kāi)始利用可見(jiàn)電磁波（光波）來(lái)感受、理解世界。通俗地說(shuō)，我們“感受”電磁波的波長(zhǎng)來(lái)“理解”顏色，“感受”電磁波的振幅來(lái)“理解”明暗。

??視網(wǎng)膜接收外部光源照射物體反射的光，激活我們擁有的三種視錐細(xì)胞，它們分別對(duì)波長(zhǎng)564、534和420納米的電磁波最為敏感，可以粗略簡(jiǎn)化為紅、綠、藍(lán)三種顏色。當(dāng)我們接收到一種任意波長(zhǎng)的光波，三種視錐細(xì)胞以不同程度“響應(yīng)”該波長(zhǎng)，這就實(shí)現(xiàn)了類似“編碼”的效果，供大腦后期“解碼”并成像。也就是說(shuō)，我們看到的“顏色”是一種“錯(cuò)覺(jué)”，是我們對(duì)不同波長(zhǎng)電磁波的主觀感知，即大腦處理三種視錐信號(hào)后的結(jié)果。

??其他動(dòng)物視錐細(xì)胞的種類和特性與我們不同，貓狗只有二色視覺(jué)（兩種視錐細(xì)胞），只能分辨藍(lán)和黃；大多數(shù)鳥(niǎo)類、爬行動(dòng)物擁有四色視覺(jué)，它們眼里的世界更加繽紛多彩；而蝦蛄則擁有動(dòng)物界最復(fù)雜的視覺(jué)系統(tǒng)之一，每只眼都分為多個(gè)區(qū)域，能獨(dú)立感知影像，擁有多達(dá)12種感光類型，宛如“視覺(jué)怪獸”。

??看，在我們還不知道什么是電磁波時(shí)，就已經(jīng)開(kāi)始利用它了。

??人們認(rèn)識(shí)到電磁波的存在是在19世紀(jì)中后期。1864年，麥克斯韋結(jié)合前人成果，預(yù)言了電磁波的存在，揭示了其基本的內(nèi)在規(guī)律；1886年，赫茲用著名的“電火花實(shí)驗(yàn)”證明了電磁波的存在；1896年，馬可尼第一次用電磁波實(shí)現(xiàn)了通信，后續(xù)又于1901年實(shí)現(xiàn)跨洋通信。之后的100多年，是利用電磁波技術(shù)的井噴時(shí)代。從波長(zhǎng)最短、頻率最高的伽馬射線，到波長(zhǎng)最長(zhǎng)、頻率最低的無(wú)線電波，電磁波的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

??那么，什么是電磁波？通俗而言，電磁波是電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替變化、彼此垂直并共同向外傳播的一種波動(dòng)現(xiàn)象。我們可以想象扔一塊石頭到水里，水面濺起向四周傳播的水波，石頭就是激發(fā)電磁波的波源，起伏的水面就是電場(chǎng)或磁場(chǎng)。當(dāng)然這個(gè)比喻并不完善，例如水波只有“水”一種向外擴(kuò)散的“起伏”，電磁波有“電場(chǎng)”和“磁場(chǎng)”兩種相互垂直、均向外擴(kuò)散的“起伏”——相當(dāng)于“上下”起伏的水波身上，同時(shí)原地疊加一個(gè)“左右”起伏的水波，這就是電磁波的奇妙之處——電場(chǎng)與磁場(chǎng)互相垂直，又共同向外傳播。

??更有趣的是，變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又反過(guò)來(lái)激發(fā)電場(chǎng)，它們彼此交替，源源不斷地向遠(yuǎn)方傳播。水波的擴(kuò)散需要水作為介質(zhì)，而電磁波傳播無(wú)需介質(zhì)，能在真空中以光速穿越宇宙，它有波長(zhǎng)、頻率、速度、振幅、極化等屬性，不同波長(zhǎng)決定了不同的穿透力、能量和用途——比如X射線能穿透人體組織，紅外線攜帶熱量，射電波能穿越塵埃厚幕傳回深空?qǐng)D像。正是這些差異，讓電磁波成為我們探知世界的“多功能工具箱”。

全頻段的“眼睛”，看見(jiàn)光“看不到”的

??我們?nèi)搜鬯?jiàn)的可見(jiàn)光，只不過(guò)是整個(gè)電磁波譜中一小段狹窄條帶。正如前文所說(shuō)，生物的視覺(jué)方式，本質(zhì)上都是通過(guò)細(xì)胞對(duì)固定波長(zhǎng)電磁波的響應(yīng)來(lái)進(jìn)行編碼，這就決定了包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)的視覺(jué)系統(tǒng)，對(duì)電磁波的感知只能是離散的、跳變的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)色譜的“真彩色”。

??自然界中，還有另一種色彩——結(jié)構(gòu)色，它來(lái)自微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的精巧干涉與衍射。當(dāng)物體表面的微觀結(jié)構(gòu)尺寸與外部光源照射的某些電磁波的波長(zhǎng)相近時(shí)，入射光在這些結(jié)構(gòu)中發(fā)生反射與疊加。若結(jié)構(gòu)層之間的高度差恰好滿足一定條件，就可能對(duì)特定波長(zhǎng)產(chǎn)生增強(qiáng)，對(duì)另一些波長(zhǎng)形成抵消，最終只留下某種特定“顏色”的電磁波被反射出來(lái)。不同微結(jié)構(gòu)反射的“顏色”也千差萬(wàn)別，因此結(jié)構(gòu)色是真正由“波”塑造的連續(xù)色譜的顏色。

??例如，某些甲蟲(chóng)的奇異金屬光澤，某些昆蟲(chóng)翅膀的鮮艷炫彩，孔雀羽毛的部分亮帶，都是結(jié)構(gòu)色的典型體現(xiàn)。有趣的是，擬態(tài)章魚(yú)雖然沒(méi)有典型的視錐細(xì)胞，被認(rèn)為是無(wú)法區(qū)分波長(zhǎng)的全色盲，但卻可以巧妙利用結(jié)構(gòu)色。它們能通過(guò)獨(dú)特的光敏結(jié)構(gòu)“感知”周圍環(huán)境的結(jié)構(gòu)光，進(jìn)而調(diào)整自身色素水平，模擬出與周圍環(huán)境相近的反射波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有視覺(jué)動(dòng)物的全頻段迷彩偽裝。

??這種連續(xù)波段的感知方式，為我們?cè)O(shè)計(jì)跨波段觀測(cè)儀器提供了寶貴啟示。正是這些自然啟示，推動(dòng)人類從生物視覺(jué)向技術(shù)感知延伸。

??過(guò)去，人類在較長(zhǎng)時(shí)間里依賴光波段理解世界。伽利略用自制望遠(yuǎn)鏡確認(rèn)了木星有四顆衛(wèi)星圍繞公轉(zhuǎn)，開(kāi)啟了天文觀測(cè)的新時(shí)代。此后天王星、海王星、冥王星等，也都是通過(guò)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)被確認(rèn)存在的。

??當(dāng)?shù)鼗鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡到達(dá)瓶頸，可以繞開(kāi)大氣影響的、以哈勃和韋伯為代表的一系列太空望遠(yuǎn)鏡登上舞臺(tái)，探測(cè)波段也從光波段拓展到更多電磁波頻段——人類觀察世界的眼睛，正逐步從“看光”走向“讀全譜”，打開(kāi)了更廣闊的觀察世界的窗口。

??一個(gè)著名的例子便是“巨引源”的觀測(cè)。它是位于拉尼亞凱亞超星系團(tuán)的一部分區(qū)域的巨大引力異常處，因恰好處在地球視角的銀河系盤(pán)面方向，各種天體和塵埃層層遮擋，使得幾乎無(wú)法通過(guò)可見(jiàn)光探測(cè)，成為宇宙地圖上的盲區(qū)。正是射電望遠(yuǎn)鏡通過(guò)接收低頻電磁波信號(hào)，我們得以間接了解其引力匯聚特征和大尺度物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)，逐步揭開(kāi)了它的神秘面紗。

??類似的例子還有很多：我們通過(guò)微波波段測(cè)量宇宙微波背景輻射，借助紅外波段穿越塵埃看到恒星誕生的搖籃，用X射線揭示高能噴流與黑洞吸積盤(pán)的動(dòng)力過(guò)程，甚至用伽馬射線幫助捕捉宇宙中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象，如伽馬射線暴與中子星合并事件。不同波段的電磁波，共同構(gòu)成了我們“看見(jiàn)”宇宙不同面貌的全譜視野。

??從地球大氣層，到太陽(yáng)系的行星與小天體，再到銀河系邊緣、星系團(tuán)甚至宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，電磁波為我們繪制出一幅幅細(xì)致入微的多尺度圖譜，幫助我們理解宇宙的全貌。

在祖國(guó)大地，打造仰望星空的“眼睛”

??近年來(lái)，我國(guó)在電磁波探測(cè)方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。從看向宇宙深處的“眼睛”，到探測(cè)地球大氣層、電離層、磁層和日地空間等與日常生活息息相關(guān)的區(qū)域，我們開(kāi)展了電磁波多頻段的綜合觀測(cè)?；蛑苯咏邮詹煌l段電磁信號(hào)，或主動(dòng)發(fā)射雷達(dá)信號(hào)探測(cè)目標(biāo)，兩者互為補(bǔ)充，極大拓展了人類對(duì)自然環(huán)境的認(rèn)知能力，為人類科技發(fā)展作出中國(guó)貢獻(xiàn)。通過(guò)這些特定頻段的全波段的感知裝置，我們不僅能“看到”物體或現(xiàn)象，也能理解其內(nèi)在的物理規(guī)律，了解其現(xiàn)象背后的動(dòng)力機(jī)制。

??其中，可著重介紹的，是由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心牽頭建設(shè)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“子午工程”。其最具代表性的設(shè)備，是圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡（DAocheng Radio Telescope，DART）。它坐落在四川稻城海拔近4000米的高原之上，由313面拋物面天線組成，分布在直徑1公里的圓環(huán)上。

??DART工作頻段在150～450MHz之間，是全球唯一能實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)太陽(yáng)射電成像的設(shè)備。它不僅是一臺(tái)“太陽(yáng)相機(jī)”，更是一把解析太陽(yáng)“情緒波動(dòng)”的科學(xué)鑰匙——能以極高的時(shí)間分辨率捕捉太陽(yáng)活動(dòng)的完整動(dòng)態(tài)，在瞬息萬(wàn)變的電磁爆發(fā)中精準(zhǔn)提取圖像。

??山東大學(xué)也參與了“子午工程”的建設(shè)。除了位于四川稻城的DART，山東大學(xué)還協(xié)同牽頭單位和各兄弟參與單位，由空間科學(xué)與技術(shù)學(xué)院和機(jī)電與信息工程學(xué)院協(xié)作，分別在威海文登、榮成槎山布設(shè)了具有代表性的地基觀測(cè)設(shè)備，它們各自承擔(dān)不同層次的觀測(cè)任務(wù)，構(gòu)成了一張持續(xù)運(yùn)行的空間環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)。

??坐落于山東威海文登的，是GNSS電離層TEC與閃爍監(jiān)測(cè)儀、電離層數(shù)字測(cè)高儀以及流星雷達(dá)。GNSS監(jiān)測(cè)儀通過(guò)分析來(lái)自北斗、GPS等導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的電磁波，在穿越電離層過(guò)程中產(chǎn)生的相位延遲和閃爍效應(yīng)，實(shí)時(shí)獲取上空電離層的總電子含量與擾動(dòng)信息，為導(dǎo)航誤差預(yù)警與空間環(huán)境建模提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。電離層測(cè)高儀則通過(guò)發(fā)射1至30MHz的高頻電磁波，測(cè)量其在不同高度電離層反射回波的延遲和強(qiáng)度，繪制頻高圖進(jìn)而反演電子密度剖面，相當(dāng)于“剖開(kāi)”電離層、透視其層次結(jié)構(gòu)。流星雷達(dá)則工作在30至60MHz波段，借助流星劃過(guò)夜空時(shí)在高空形成的電離尾跡，反推出70至110公里中高層大氣的風(fēng)場(chǎng)分布，是研究中高層大氣動(dòng)力學(xué)的重要手段。

??在威海榮成槎山，則部署了國(guó)內(nèi)首個(gè)覆蓋15MHz至15GHz波段的寬頻太陽(yáng)射電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它如同一臺(tái)“多波段廣播接收機(jī)”，全天候監(jiān)聽(tīng)太陽(yáng)的“電磁波語(yǔ)言”，追蹤日冕物質(zhì)拋射、耀斑爆發(fā)等高能事件。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)不僅有助于深入理解太陽(yáng)活動(dòng)的物理機(jī)制，也為我國(guó)的衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)提供早期預(yù)警保障。

??這些觀測(cè)設(shè)備，如仰望天空的“眼睛”，默默記錄著地球空間環(huán)境的每一次波動(dòng)與擾動(dòng)，為我國(guó)在電離層監(jiān)測(cè)、太陽(yáng)預(yù)警、中高層大氣動(dòng)力學(xué)等多個(gè)前沿領(lǐng)域的科學(xué)研究與實(shí)用應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)支撐。

??電磁波是自然賜予我們的一把萬(wàn)能鑰匙，它揭示的不僅是物質(zhì)的狀態(tài)，更是人類認(rèn)識(shí)世界的尺度；不僅是我們仰望宇宙的“眼睛”，也照亮我們腳下的未來(lái)！

??你問(wèn)我答

??問(wèn)：電磁波跟我們的生活有關(guān)嗎？

??高東興：電磁波是由電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替振蕩并向外傳播的一種波動(dòng)現(xiàn)象，它既是物理規(guī)律的體現(xiàn)，也是一種能量傳播方式。我們熟悉的可見(jiàn)光其實(shí)就是電磁波的一種，而它還包括射電波、微波（含毫米波）、紅外線、紫外線、X射線和伽馬射線等。電磁波無(wú)處不在，影響著我們的日常生活：從手機(jī)通信、Wi-Fi、微波爐，到醫(yī)療中的X射線檢查，再到衛(wèi)星導(dǎo)航與天文觀測(cè)，電磁波的應(yīng)用無(wú)處不在，與生活息息相關(guān)。

??問(wèn)：文中的這些觀測(cè)設(shè)備是靠什么“看見(jiàn)”世界的？

??高東興：這些觀測(cè)設(shè)備利用的是電磁波探測(cè)原理，主要分為兩類：一種是被動(dòng)接收型，如望遠(yuǎn)鏡、射電接收器，通過(guò)接收天體或環(huán)境自然發(fā)出的電磁波信號(hào)，來(lái)分析其結(jié)構(gòu)和狀態(tài)；另一種是主動(dòng)發(fā)射型，如雷達(dá)，通過(guò)發(fā)射電磁波并接收從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)，判斷目標(biāo)的距離、高度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。這使我們即使在黑夜、云層、塵埃甚至深空中，也能“看見(jiàn)”那些肉眼無(wú)法識(shí)別的現(xiàn)象。

??作者：高東興，系山東大學(xué)機(jī)電與信息工程學(xué)院副教授

??圖片均由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心提供

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