葉叔華：“北京時間”標準創(chuàng)立者

葉叔華，生于1927年，天文學家，中國科學院院士，中國科學院上海天文臺研究員。中國第一位女天文臺臺長。長期從事天體測量和天文地球動力學研究，1957年受命組建中國世界時綜合系統(tǒng)，精度達到世界排名第二；20世紀60年代后期起，開始研究運用新技術(shù)測定地球自轉(zhuǎn)運動和地殼的運動方法；牽頭建立了與世界同步的甚長基線射電干涉網(wǎng)建設，為嫦娥衛(wèi)星保駕護航；90年代開拓天文地球動力學研究，發(fā)起成立了“亞太空間地球動力學”（APSG）國際合作計劃。研究成果曾獲全國科學大會和中科院重大成果獎，中科院科技成果一等獎、國家自然科學二等獎等。

近日，《我是科學家》活動如期在中國科技館舉行，葉叔華院士在上海遠程視頻，做了一堂近50分鐘的演講。她說自己還想做兩件事，一件事是，想在中國建立一個平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）項目的地區(qū)中心，另一件事，是想向太空發(fā)射兩顆VLBI衛(wèi)星，使他們的FAST大口徑望遠鏡能夠在中低頻范圍內(nèi)開辟新科研的疆界。全場演講，92歲的葉院士一直站立在投影屏邊演示講解，未做間歇休息。盡管隔著視頻遠在上海，但北京現(xiàn)場掌聲陣陣，對葉院士的長者風范表示敬意。按照葉院士的構(gòu)想，這兩個項目要完全落地實施，已經(jīng)是2070年的事情。葉院士請在座的聽眾放心，她說，相關(guān)技術(shù)，中國已經(jīng)基本上可以完成，是可行的?！拔医裉煨睦砩戏浅Ｇ樱Y(jié)果我是看不見了，”葉院士對聽眾們說，希望在座的青年和中青年同志，多多努力，“我只能在這里敲鑼打鼓、搖旗吶喊了?！敝袊茖W院高能物理研究所研究員張雙南與葉院士多有合作。他介紹，葉院士如此高齡還在為天文科研奔波操持。2003年，上海天文臺和上海市等機構(gòu)決定為中國申辦天文界的“奧林匹克”——國際天文學聯(lián)合大會，時任中國天文學會名譽理事長的葉院士要張雙南撰寫申辦報告，結(jié)果沒有成功。

葉院士給他打氣，今后再戰(zhàn)。2006年，再一次申辦，葉院士還要張雙南來做這個報告，還沒有成功。經(jīng)過中國天文學會的努力，如愿，2012年終于在北京舉辦了國際天文學聯(lián)合大會。

人們通常稱葉叔華為“先生”。在中國，名字上能被冠以這個敬稱的女性長者，并不多。這個稱謂，在中國式語境里，指代的不僅是女性的高壽，通常更代表了才華學識以及某種出眾的氣質(zhì)。大多數(shù)非天文學界的公眾，對她的名字可能會感到陌生，但是，中國人誰也擺脫不了和她的科學創(chuàng)舉的聯(lián)系，事實上，我們每天都生活在由她創(chuàng)立的標準時間——北京時間之中。早在1965年，由葉叔華主持籌建的中國“精確授時”系統(tǒng)，即已正式通過國家鑒定，作為時間基準向全球發(fā)布。葉院士為科學事業(yè)的那種執(zhí)著，給張雙南留下了深刻印象。2018年夏天，國際天文學聯(lián)合會第30屆大會在奧地利維也納召開，葉院士親自率團參會。期間本來團隊里大家約好了要去下館子，吃當?shù)刂恼ㄘi肘子，結(jié)果等了老半天，人都沒到齊。張雙南從姍姍來遲的同事那里才了解到，是葉院士當天臨時要求加一場報告，拖了堂，耽誤了大家吃豬肘子。那天加的報告，與這次“我是科學家”遠程演講的主旨一致，就是講她還想要做的上述兩件事。

深空中，有一顆“葉叔華星”

葉叔華院士已堅守天文科研六十余載，雖已邁入鮐背之年，但葉院士依舊每天都到上海天文臺的辦公室工作。1951年，葉叔華進入上海徐家匯觀測站工作，在徐家匯觀象臺一間半地下室里，開始了她的第一份任務——觀測和計算“時間”。以前的她認為天文工作有趣且浪漫，等真正上手之時，才體驗到單調(diào)枯燥的一面：觀測到半夜甚至凌晨是常事，然后再走半小時才能到家。20世紀50年代，全國沒有一張標準地圖，很多省份都沒有精確測量過。

1958年，中國提出建立自己的時間標準系統(tǒng)，葉叔華成為主要領(lǐng)頭人，但一開始她的心里沒底。而經(jīng)過團隊的努力，到了1964年，中國的世界時系統(tǒng)精確度與國際時間局計時系統(tǒng)相差無幾，排在世界第二位。1965年，中國終于結(jié)束了依靠全球合作以及蘇聯(lián)系統(tǒng)提供的時間標準。在承擔這項工作時，葉叔華剛剛31歲，結(jié)束時，她已經(jīng)38歲。此后幾年，中國天文研究停滯不前，世界技術(shù)卻日新月異。等到1970年，葉叔華在圖書館查閱國外最新天文進展時才發(fā)現(xiàn)，由于美蘇的空間競賽，精準度比以前提高了幾十倍。這也使她的內(nèi)心受到了巨大的沖擊。

甚長基線干涉測量（VLBI）激光測距等空間技術(shù)使測量精度進步了好幾個量級，這些技術(shù)也受到了她的關(guān)注。在葉叔華和團隊的努力下，中國于1979年建成6米口徑射電望遠鏡，并開始參與一系列國際聯(lián)測。而在1981年10月葉叔華擔任上海天文臺臺長后，VLBI項目也正式啟動。努力從事科學事業(yè)，卻苦于“囊中羞澀”是當時的中國科研界的現(xiàn)狀，剛起步的中國天文事業(yè)也不例外。在葉叔華的印象中，研制氫原子鐘時，本來要求恒溫的實驗室都沒有錢開空調(diào)。為了建造25米口徑的射電望遠鏡，她跑到當時的第四機械工業(yè)部詢問一位處長，卻被一口否決。“在已經(jīng)被拒絕的情況下，我在他的辦公桌前站了15分鐘，最終見到了部長，得到支持?！被貞浧鹉嵌螝v史，葉叔華坦言這個舉動是受到東周列國“申包胥哭秦庭”的啟發(fā)。

在幾十年后，葉叔華的堅持得到了證明，在探月工程中，VLBI測量系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用。與此同時，20世紀90年代起，葉叔華開拓天文地球動力學研究，負責“現(xiàn)代地殼運動和地球動力學研究”攀登項目，發(fā)起“亞太空間地球動力學”國際合作項目。該研究首次建立了中國天文的完整圖像，并成功預測了厄爾尼諾災害，第一次清楚地測定了中國的地殼運動，掌握了地殼運動劇烈的分布區(qū)域。北京時間、亞洲第一的射電望遠鏡——天馬望遠鏡、現(xiàn)代地殼運動和地球動力學研究、VLBI網(wǎng)等一系列天體測量和天文地球動力學研究成果，都離不開葉叔華的努力。 1997年，紫金山天文臺同仁把天空中一顆編號為第3241號的小行星命名為葉叔華星。

在上海建立一個SKA數(shù)據(jù)區(qū)域中心

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國的天文研究不僅早已和國際接軌，也在積極參與多個國際合作的天文項目，其中SKA項目是葉叔華最重視，也是最念念不忘的。SKA是現(xiàn)今最大的天文合作項目，項目開始于20世紀末，是中國參加的第二個國際合作大科學工程。2019年3月12日，中國作為7個原始發(fā)起國之一，在羅馬簽署天文臺公約，這也標志著SKA項目正式開始。

SKA全稱平方公里陣列射電天文望遠鏡（The Square Kilometre Array）。作為世界最大綜合孔徑射電望遠鏡，SKA是由包括中國在內(nèi)的10多個國家共同參與的全球大科學裝置。據(jù)葉叔華介紹，SKA最終將建設2500面反射面天線和一百多萬個低頻天線，分布在澳大利亞、南非及非洲南部8個國家約3000公里的廣袤荒野中，總接收面積達1平方公里，將形成世界最大陣列式射電望遠鏡，可以用于研究一些天文學領(lǐng)域的未解之謎，如檢驗相對論和引力理論，生命燭光以及地外文明，宇宙磁場，宇宙黑暗時期和宇宙黎明，星系以及各級天體的形成，宇宙學、暗物質(zhì)、大尺度結(jié)構(gòu)，探索未知世界等。

SKA總部設在英國，SKA望遠鏡的兩個臺址國分別為澳大利亞—西澳大利亞莫奇森郡和南非—南非臺地高原地區(qū)，數(shù)據(jù)從這兩個地方產(chǎn)生后，再分發(fā)到各個地方，所以這要求由區(qū)域中心來接收龐大的數(shù)據(jù)信息，然后區(qū)域中心再把數(shù)據(jù)傳到需要用的地方。SKA能產(chǎn)生多少數(shù)據(jù)？葉叔華給出了一個答案，2027年開始，SKA每年輸出600PB數(shù)據(jù)，2030年之后數(shù)據(jù)量增加10倍?！艾F(xiàn)在我們?nèi)澜缬玫乃袛?shù)據(jù)加起來都不及它的十分之一，而且后面還有增加?！币虼?，她希望，能在上海建設一個區(qū)域性科學數(shù)據(jù)中心。“這個區(qū)域性科學數(shù)據(jù)中心，不限于中國，甚至不限于亞洲，而是亞太地區(qū)的數(shù)據(jù)中心?！?/p>

2000年11月，時任上海市科協(xié)主席的葉叔華聯(lián)合廣大科學家精心組織了以“世紀之交的思考”為主題的上海市科技論壇，在她的預想中，SKA數(shù)據(jù)中心不應該只是在上海，應該擴散到全國更多的地方，各地天文工作者成立一個數(shù)據(jù)處理小組進行研究，每年或者每幾年組織召開全國性的大會，為中國爭取更好的研究結(jié)果。葉叔華希望2500臺SKA都歸中國制造?！耙嵌細w中國造的話，我們交的費用都可以回來，也許可以有盈余了?！钡撬蔡寡?，這個想法并不見得太合理。也許未來會分成幾個國家一起來承擔。好消息是，由中國電子科技集團公司第54研究所研制的望遠鏡已經(jīng)經(jīng)過SKA項目組織驗收。“證明還是很好的一個設計。以后會采用的?！比~叔華開心地說。SKA是一個過程很長的項目，兩個臺址的望遠鏡陣列計劃在2030年左右開始完全運行。在葉叔華看來，這個項目需要持續(xù)到2070年左右，能參與到其中對中國而言是好事。因此她希望各位年輕的同志甚至兒童將來都能承擔起這個任務及責任。

讓VLBI從地面走向空間

2019年1月3日，“嫦娥四號”實現(xiàn)了人類探測器首次在月球背面軟著陸。這里面也有葉叔華及其團隊的貢獻，這也證明在中國建設VLBI測量網(wǎng)的決策是正確的。幾十年前，在葉叔華的帶領(lǐng)下，上海天文臺規(guī)劃了中國VLBI網(wǎng)的概貌：新建烏魯木齊VLBI站及25米口徑射電望遠鏡，改建昆明10米口徑射電望遠鏡為VLBI站，升級上海25米口徑射電望遠鏡及數(shù)據(jù)處理中心，這也使得中國天文界在甚長基線干涉測量技術(shù)上，迅速趕上了國際天文研究的步伐。有媒體評論，“這讓上海天文臺和中國天文界，迅速趕上了20世紀八九十年代國際天文從經(jīng)典觀測轉(zhuǎn)向空間觀測的潮流。”根據(jù)官方解釋，VLBI網(wǎng)是測軌系統(tǒng)的一個分系統(tǒng)，它目前由上海25米口徑、北京50米口徑、昆明40米口徑和烏魯木齊25米口徑的4臺射電天文望遠鏡以及上海數(shù)據(jù)處理中心組成。分辨率相當于口徑為3200多公里的巨大的綜合望遠鏡，測角精度可以達到百分之幾角秒，甚至更高。

不過由于國力所限，當年中國只能支持建造2臺射電天文望遠鏡。這在葉叔華眼里已經(jīng)是很了不起了。20世紀90年代，國家醞釀“探月工程”，“嫦娥一號”的變軌成為一大難題，探月衛(wèi)星飛向月球時會進行變軌，尤其變軌之前與變軌之后，更需要精確計算運行軌道，而精確計算的前提是精確測量，葉叔華及其團隊自動請纓提出用VLBI網(wǎng)對“嫦娥一號”進行測軌。“我們自告奮勇承諾10分鐘之內(nèi)，完成VLBI測軌任務，最后我們做到是平均6分鐘，后來在‘嫦娥四號’的任務中，1分鐘就能完成測軌?！睘楦玫匕l(fā)揮VLBI網(wǎng)的作用，葉叔華提出建造65米口徑的望遠鏡，成為中國科學院和上海市共建計劃。2012年，上海天馬65米口徑射電望遠鏡落成，這一年，葉叔華已經(jīng)81歲了。

隨后，上海天馬65米口徑射電望遠鏡在深空探測和天文研究中發(fā)揮了很大作用。2012年，參與并成功完成嫦娥二號衛(wèi)星在深空約700萬公里飛越小行星“圖塔蒂斯”成像探測再拓展任務。2013年作為主力測站，全程參與了嫦娥三號的VLBI測定軌觀測，2014年嫦娥五號飛行試驗器的VLBI測定軌任務，此外，更在國際VLBI網(wǎng)中發(fā)揮著主將作用。葉叔華介紹，VLBI技術(shù)能夠支撐航天器到火星、木星、小行星甚至到太陽系邊緣?！懊绹ヌ綔y冥王星的時候，我們就也在探測，結(jié)果都還有訊號，都還成功?！爆F(xiàn)階段許多科學家都在探索宇宙黎明時期，而研究這段時期需要用到低頻射電。那既然用低頻射電，為什么我們不可以到空間去？葉叔華的第二個心愿就是，讓VLBI從地面走向空間。簡單來說，在距離地球9000公里外的太空，建兩個30米口徑的射電望遠鏡，這兩個望遠鏡可以跟地面上的大望遠鏡和FAST、SKA進行組合，也可以自己聯(lián)系起來，開創(chuàng)空間低頻射電新領(lǐng)域?！斑@個技術(shù)我們國家基本上可以完成，所以希望以后國家強盛，有更多的錢后能得到支持?！比~叔華認為這對中國射電天文走向世界會是一個很好的貢獻。