说美玉奇石话物华天宝
侃黔山贵水析鬼斧神工
贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇，层峦叠翠。群山之间，有一个叫大窝凼的圆形山坳。山坳四周矗立着6座高高的铁塔，铁塔上伸出的钢缆上悬挂着一个吊舱。吊舱下方的山坳中安放着一口银灰色直径500米的世界之最大“铁锅”。这就是500米射电天文望远镜（英文名称缩写FAST）——“天眼”的定向天线反射镜面。
读者或许会问：为什么要把世界之最的“天眼”放到这个山坳之中呢？
射电天文望远镜天线与卫星电视天线很相像，两者都由一个像铁锅一样的电磁波反射镜面和一个接收电磁波的馈源头构成，反射镜面负责将电磁波汇聚到馈源头上，馈源头则负责将接收到的电磁波转变为电信号供处理器处理。两者的外观差别主要是尺寸：卫星电视接收天线为了方便使用向灵巧便利方向发展，越做越小；射电天文望远镜为了满足越来越远的深空探测需求，天线越做越大。我国现在户户通卫星电视的定向天线做得很精巧，“铁锅”直径0.45米、重量0.65千克的天线就能满足卫星电视接收的需要。世界范围内的射电天文望远镜天线直径从几米、几十米到几百米不断增大，位于贵州平塘大窝凼的500米（口径）球面射电天文望远镜天线是目前世界上直径最大的单口径射电望远镜。
户户通卫星电视定向天线
既然两者十分相似，能不能将卫星电视天线按比例放大作为射电天文望远镜的天线呢？原理上是可以的，但随着尺寸的增大，制作的困难也越来越大，人们不得不在设计上想办法。这里不妨做一些简单的计算：
制作一个直径5米的射电天文望远镜天线，可将0.45米的户户通卫星电视卫星天线尺寸放大11.11倍，相应地体积放大的倍数为11.11的3次方即约1371倍，重量也要放大这么多倍达到891千克。这个重量，一个人是搬不动了，需要好几个人配合才能操作。
如果要制作一个直径50米的射电天文望远镜天线，尺寸为5米天线的10倍，体积与重量则为5米天线的1000倍，即重量有891吨。2006年我国制造的密云天文台50米天线，尽管做了精心设计，重量也达680吨。其操作完全要靠电力，已非人力可及。
中国密云50米射电天文望远镜天线
如果还用上述方法制作一个500米的天线，则重量将为50米天线的1000倍，达到89.1万吨，拆散来装火车要用1万4千8百多个火车皮才装得完，用这些车皮接成一列火车约有200千米长！
显然，这个方法只能有限运用。实际上，直径超过100米的天线已难以再用这个方法而必须另辟蹊径。
美国人首先想出了一个办法：把“铁锅”放到山坳里，把馈源头用钢丝绳吊在“铁锅”的上方，从而建成了有名的阿雷西博305米望远镜天线。这样做可以大为简化“铁锅”和馈源头的支承结构，从而大大减轻天线的重量；但“铁锅”是固定的，只能靠馈源头的移动和地球自转对天空宽约20度的带状区域进行扫描，很像从门缝里向外张望。不过，能从门缝里向外张望总比不能张望强得多，美国就靠这个天线实现了许多深空探测的科学突破。
美国阿雷西博305米望远镜
位于平塘大窝凼的“天眼”，模仿的就是阿雷西博的做法，且在技术上有了大大的超越。
首先要找到一个合适的山坳，这个任务自然地落到了地质学家的肩上。
上一期介绍了溶洞的形成过程。雨水向地面以下渗透形成地下水。地下水在地下渗流的过程中可以溶蚀其通道上的石灰岩而使通道扩大。当地下水在包气带向下渗流时可将通道溶蚀扩大而形成落水洞。落水洞沟通了地面和地下溶洞或地下河，雨水冲蚀下来的泥沙石块可经落水洞进入溶洞或地下河加快洞腔的扩展速度；同时落水洞附近的降水涌入落水洞，加快了对落水洞附近地面的侵蚀速度，最后可形成一个漏斗状的洼地。这种洼地称为岩溶漏斗，在织金洞附近俗称“麻窝”，在平塘则被叫作“窝凼”。岩溶漏斗具有与“铁锅”类似的形状，能够自然排水，是安放大“铁锅”最好的备选对象。当然，还必须具备一些必备的条件：一是规模要足够大，即口径略大于500米；二是形状要尽可能与“铁锅”接近；三是要远离电磁波干扰源。
大窝凼岩溶漏斗与“天眼”示意图
贵州石灰岩分布面积广大，岩溶漏斗数量众多，是寻找适合对象最有希望的地区。通过卫星遥感以及图上作业，挑选出了若干候选对象。然后对候选对象进行实地勘察，反复对比后最终敲定将大“铁锅”安放在平塘县克度镇大窝凼。
建设前的大窝凼
“铁锅”开始拼装
“天眼”看起来是一口完整的大铁锅，其实是由4452块彼此分开的三角形铝板固定在钢绳网上拼合而成的。为了减轻重量和便于雨水透过，铝板上开了许多小孔，做成筛子一样。通过调节钢绳，可以改变“铁锅”的形状，在整体呈球面的“锅”体上不同的部位形成直径为300米的抛物面，以对准不同的天区。这一技术使望远镜扫描的天区带宽达到40度，是美国阿雷西博305米望远镜扫描带宽的2倍，我们张望宇宙的“门缝”比美国的宽了一倍！
支承并操纵“铁锅”的钢绳网
这次“天眼”的成功建设就是天文学与地质学联姻的杰出成果。其实，天文学与地质学早就联姻了。地质学有一个新兴的分支，叫作天体地质学，就是对天体进行地质研究的。例如我国的探月工程就在对月球进行地质研究，为利用月球上丰富的核聚变能源氦-3做探测工作。刚刚启程的火星探测器，也要对火星进行地质研究。因此，天体地质学之下又有月球地质学、火星地质学等进一步的分支。从宇宙空间观看，地球也是一个天体，我们传统上所说的地质学完全可以纳入天体地质学的体系，应称为地球地质学。换一个角度看问题，地质学反而成了天体地质学的分支了，两者的关系完全颠倒了过来！想一想，天文学和地质学还能分开吗？
为了保证“天眼”功能的正常发挥，2019年5月起施行的《贵州省无线电管理条例》在以射电望远镜台址为圆心的附近区域划出了3个级别的保护区，并做出相应的保护规定：半径5公里的区域为核心区，5至10公里的环带为中间区，10至30公里的环带为边远区。核心区内禁止设置、使用无线电台(站)，禁止建设对射电望远镜产生电磁环境影响的项目及辐射无线电波的设施，禁止修建建(构)筑物，禁止携带手机、数码相机、平板电脑、无人机等能产生电磁辐射的电子产品进入，禁止无关车辆进入。
为了发挥“天眼”的科普功能，贵州省将“天眼”建设成观光区，设有天文馆、观景台等设施。游客可以到天文馆学习天文知识，然后乘坐观光车进入景区，登上观景台一睹“天眼”英姿。
