子午工程——麗江臺玉龍站光譜成像日冕儀

子午工程——圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡。

子午工程——威海臺榮成站米波太陽射電頻譜儀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”世間萬物的？人類對世界的感知始于光，但光只是電磁波中的一種。從自然界的動物視覺進化，到人類高科技觀測設(shè)備，我們“看”世界的視角，已經(jīng)由可見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，就是因為電磁波。

??在地球生命進化史上，眼睛的出現(xiàn)是一次劃時代的事件，意味著動物開始利用可見電磁波（光波）來感受、理解世界。通俗地說，我們“感受”電磁波的波長來“理解”顏色，“感受”電磁波的振幅來“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胞，它們分別對波長564、534和420納米的電磁波最為敏感，可以粗略簡化為紅、綠、藍三種顏色。當(dāng)我們接收到一種任意波長的光波，三種視錐細胞以不同程度“響應(yīng)”該波長，這就實現(xiàn)了類似“編碼”的效果，供大腦后期“解碼”并成像。也就是說，我們看到的“顏色”是一種“錯覺”，是我們對不同波長電磁波的主觀感知，即大腦處理三種視錐信號后的結(jié)果。

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

??看，在我們還不知道什么是電磁波時，就已經(jīng)開始利用它了。

??人們認識到電磁波的存在是在19世紀中后期。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“電火花實驗”證明了電磁波的存在；1896年，馬可尼第一次用電磁波實現(xiàn)了通信，后續(xù)又于1901年實現(xiàn)跨洋通信。之后的100多年，是利用電磁波技術(shù)的井噴時代。從波長最短、頻率最高的伽馬射線，到波長最長、頻率最低的無線電波，電磁波的應(yīng)用越來越廣泛。

??那么，什么是電磁波？通俗而言，電磁波是電場和磁場交替變化、彼此垂直并共同向外傳播的一種波動現(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或磁場。當(dāng)然這個比喻并不完善，例如水波只有“水”一種向外擴散的“起伏”，電磁波有“電場”和“磁場”兩種相互垂直、均向外擴散的“起伏”——相當(dāng)于“上下”起伏的水波身上，同時原地疊加一個“左右”起伏的水波，這就是電磁波的奇妙之處——電場與磁場互相垂直，又共同向外傳播。

??更有趣的是，變化的電場會產(chǎn)生磁場，變化的磁場又反過來激發(fā)電場，它們彼此交替，源源不斷地向遠方傳播。水波的擴散需要水作為介質(zhì)，而電磁波傳播無需介質(zhì)，能在真空中以光速穿越宇宙，它有波長、頻率、速度、振幅、極化等屬性，不同波長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圖像。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”，看見光“看不到”的

??我們?nèi)搜鬯姷目梢姽猓徊贿^是整個電磁波譜中一小段狹窄條帶。正如前文所說，生物的視覺方式，本質(zhì)上都是通過細胞對固定波長電磁波的響應(yīng)來進行編碼，這就決定了包括我們?nèi)祟愒趦?nèi)的視覺系統(tǒng)，對電磁波的感知只能是離散的、跳變的，無法實現(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，它來自微觀結(jié)構(gòu)對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相近時，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，就可能對特定波長產(chǎn)生增強，對另一些波長形成抵消，最終只留下某種特定“顏色”的電磁波被反射出來。不同微結(jié)構(gòu)反射的“顏色”也千差萬別，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，某些甲蟲的奇異金屬光澤，某些昆蟲翅膀的鮮艷炫彩，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)章魚雖然沒有典型的視錐細胞，被認為是無法區(qū)分波長的全色盲，但卻可以巧妙利用結(jié)構(gòu)色。它們能通過獨特的光敏結(jié)構(gòu)“感知”周圍環(huán)境的結(jié)構(gòu)光，進而調(diào)整自身色素水平，模擬出與周圍環(huán)境相近的反射波長，實現(xiàn)對所有視覺動物的全頻段迷彩偽裝。

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

??過去，人類在較長時間里依賴光波段理解世界。伽利略用自制望遠鏡確認了木星有四顆衛(wèi)星圍繞公轉(zhuǎn)，開啟了天文觀測的新時代。此后天王星、海王星、冥王星等，也都是通過光學(xué)望遠鏡觀測被確認存在的。

??當(dāng)?shù)鼗鈱W(xué)望遠鏡到達瓶頸，可以繞開大氣影響的、以哈勃和韋伯為代表的一系列太空望遠鏡登上舞臺，探測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”，打開了更廣闊的觀察世界的窗口。

??一個著名的例子便是“巨引源”的觀測。它是位于拉尼亞凱亞超星系團的一部分區(qū)域的巨大引力異常處，因恰好處在地球視角的銀河系盤面方向，各種天體和塵埃層層遮擋，使得幾乎無法通過可見光探測，成為宇宙地圖上的盲區(qū)。正是射電望遠鏡通過接收低頻電磁波信號，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)，逐步揭開了它的神秘面紗。

??類似的例子還有很多：我們通過微波波段測量宇宙微波背景輻射，借助紅外波段穿越塵?？吹胶阈钦Q生的搖籃，用X射線揭示高能噴流與黑洞吸積盤的動力過程，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”宇宙不同面貌的全譜視野。

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

在祖國大地，打造仰望星空的“眼睛”

??近年來，我國在電磁波探測方面有了長足的進步。從看向宇宙深處的“眼睛”，到探測地球大氣層、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，我們開展了電磁波多頻段的綜合觀測。或直接接收不同頻段電磁信號，或主動發(fā)射雷達信號探測目標(biāo)，兩者互為補充，極大拓展了人類對自然環(huán)境的認知能力，為人類科技發(fā)展作出中國貢獻。通過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)象背后的動力機制。

??其中，可著重介紹的，是由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心牽頭建設(shè)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目“子午工程”。其最具代表性的設(shè)備，是圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡（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，是全球唯一能實現(xiàn)高速實時太陽射電成像的設(shè)備。它不僅是一臺“太陽相機”，更是一把解析太陽“情緒波動”的科學(xué)鑰匙——能以極高的時間分辨率捕捉太陽活動的完整動態(tài)，在瞬息萬變的電磁爆發(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設(shè)備，它們各自承擔(dān)不同層次的觀測任務(wù)，構(gòu)成了一張持續(xù)運行的空間環(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)測儀、電離層數(shù)字測高儀以及流星雷達。GNSS監(jiān)測儀通過分析來自北斗、GPS等導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的電磁波，在穿越電離層過程中產(chǎn)生的相位延遲和閃爍效應(yīng)，實時獲取上空電離層的總電子含量與擾動信息，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。電離層測高儀則通過發(fā)射1至30MHz的高頻電磁波，測量其在不同高度電離層反射回波的延遲和強度，繪制頻高圖進而反演電子密度剖面，相當(dāng)于“剖開”電離層、透視其層次結(jié)構(gòu)。流星雷達則工作在30至60MHz波段，借助流星劃過夜空時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)場分布，是研究中高層大氣動力學(xué)的重要手段。

??在威海榮成槎山，則部署了國內(nèi)首個覆蓋15MHz至15GHz波段的寬頻太陽射電監(jiān)測系統(tǒng)。它如同一臺“多波段廣播接收機”，全天候監(jiān)聽太陽的“電磁波語言”，追蹤日冕物質(zhì)拋射、耀斑爆發(fā)等高能事件。這些觀測數(shù)據(jù)不僅有助于深入理解太陽活動的物理機制，也為我國的衛(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)境的每一次波動與擾動，為我國在電離層監(jiān)測、太陽預(yù)警、中高層大氣動力學(xué)等多個前沿領(lǐng)域的科學(xué)研究與實用應(yīng)用提供了堅實支撐。

??電磁波是自然賜予我們的一把萬能鑰匙，它揭示的不僅是物質(zhì)的狀態(tài)，更是人類認識世界的尺度；不僅是我們仰望宇宙的“眼睛”，也照亮我們腳下的未來！

??你問我答

??問：電磁波跟我們的生活有關(guān)嗎？

??高東興：電磁波是由電場和磁場交替振蕩并向外傳播的一種波動現(xiàn)象，它既是物理規(guī)律的體現(xiàn)，也是一種能量傳播方式。我們熟悉的可見光其實就是電磁波的一種，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。電磁波無處不在，影響著我們的日常生活：從手機通信、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，電磁波的應(yīng)用無處不在，與生活息息相關(guān)。

??問：文中的這些觀測設(shè)備是靠什么“看見”世界的？

??高東興：這些觀測設(shè)備利用的是電磁波探測原理，主要分為兩類：一種是被動接收型，如望遠鏡、射電接收器，通過接收天體或環(huán)境自然發(fā)出的電磁波信號，來分析其結(jié)構(gòu)和狀態(tài)；另一種是主動發(fā)射型，如雷達，通過發(fā)射電磁波并接收從目標(biāo)反射回來的信號，判斷目標(biāo)的距離、高度、運動狀態(tài)等。這使我們即使在黑夜、云層、塵埃甚至深空中，也能“看見”那些肉眼無法識別的現(xiàn)象。

??作者：高東興，系山東大學(xué)機電與信息工程學(xué)院副教授

??圖片均由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心提供

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