500米孔径球面射电望远镜（FAST）是中国在贵州省黔南州建造的，其单天线口径为世界之冠，引发了国际上的广泛关注。作者比较详细地介绍了FAST的建设历程和仍需克服的困难。本文以不避讳的写实方式报道、科普兼技普了FAST。像这样重点突出且敏锐详实地报道大科学工程的文章，国内非常罕见。
这类文章不仅是广大读者喜闻乐见的，也非常有助于各级领导层和经费管理部门全面了解实情，合理正确决策，保障经费支持，有效监督执行。
FAST的建设远未完成，还不能开展许多原定的重要科学研究，还需要在调试阶段尽快有效解决众多棘手的问题。除FAST外，目前中国天文领域的其它类似大项目还包括“南极巡天望远镜阵列（AST3）”、“宇宙第一缕曙光（21CMA）”、“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）”等等。
该报道信息丰富：如FAST经历的重要转折和各种艰辛，FAST竣工典礼前后出现的问题和目前望远镜还没有能达到正常实际使用的事实，漂移扫描的权宜之计，FAST技术创新的真正成功仍面临的严峻挑战，首席科学家和首席工程师合二为一对FAST科学发展的不利局面，FAST的建设之根本（兑现许诺的仪器功能指标和科学研究目标），FAST与Arecibo之间的相互比较和借鉴，以及FAST与中国积极参与的重大国际合作项目SKA之历史渊源等。
可见FAST的综合性超强，建造FAST涉及诸多必要方面的完善和配合。为了能探测到发自遥远天体的极其微弱的射电信号，建设FAST要求包括如：1）天线的有效面积要尽量大，面板精度和操作要符合设计指标，聚焦要好，还特别要求实时跟踪聚焦功能真正达标；2）各个波段的接收机的综合性能指标好并且质量要高；3）长期确保环境电磁噪音不因人为因素而恶化。
要全面充分展示FAST的科学潜力，对人才素质的提升、科研队伍的建设、科学目标的选定、电波环境的保护、自身噪声的屏蔽、控制设备的稳定、监测仪器的精准、各种器件的质量、基础设施的配套、观测时间的分配、软件系统的开发、海量数据的分析、物理模型的开拓、数值模拟的运用和科研主导的调整等等都要求得非常高，它们都深刻影响到有关FAST天文物理研究的整体科学水准高低和出重大好成果的快慢及多少。
2016年10月份以来，举国上下表现出一年一度浓厚的“诺贝尔奖情结”，围绕FAST展开的诺奖话题也频频见诸网络报端。在“出大成果”美好愿望的强烈渲染之中，我们首先需要冷静认清的是，工程技术与科学研究紧密相连，但并不是一回事。技术和科学实力都需要通过脚踏实地逐渐积累才能有效提升，科学研究探索之本就是求实求真求成。奢谈设计指标的可能前景，不讲仪器功能是否真正技术达标是毫无意义的。
面对大众，我们着重强调实事求是和解决具体问题的重要性及迫切性，让科学界和新闻媒体实在一些，无论如何都坚持理性陈述、如实描写和准确报道，不隐瞒主要和关键事实。
要让中国这架超巨型射电望远镜真正做到不负其承诺的使命，尚需再迸发一轮新颖独特的创造力。—— Dennis Normile
在中国大西南延绵参差的石灰岩崇山峻岭中，有一处撼人心魄、宏伟壮观的地势景象，工程人员们忙碌着，一座巨大的天文仪器设施的建造正步入最后的收官之战：一个直径500米的天线面板盘镶嵌在自然形成的洼谷之中，将用于采集来自宇宙空间的射电信号。这一世界上最大的（单天线）射电望远镜将搜集和编目（射电）脉冲星，探测引力波、暗物质和快速射电暴，并倾听来自外星文明的无线电波通讯。
然而，这一精巧杰作的设计建筑师却对于他的望远镜究竟可能捕获到什么表示厌倦乏味。南仁东如是说，而他正是这500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，以下简称FAST）的首席科学家和首席工程师。
同事们坚持认为南仁东是在开玩笑，但毫无疑问，的确是工程建设（而非科学研究）耗费了他一生中二十年的精力，也正是该工程建设令其他天文学家惊叹佩服。佛吉尼亚州夏洛茨维尔的美国国家射电天文台（U.S. National Radio Astronomy Observatory，以下简称NRAO）前台长鲁国镛评论称：“作为一项土木工程之建设成就，FAST显然是令人惊奇不已的”。
FAST的（单个）天线面板口径冠绝全球——位居第二的是地处波多黎各（Puerto Rico）的阿雷西博（Arecibo）射电望远镜，其天线面板直径305米，信号采集面积不到FAST的一半。
不止于此，FAST的设计也独辟蹊径，为射电天文开创了新的天地：它要将巨大球形面板的一部分拖拽成一个逐渐运动的抛物面，用以应对地球自身的旋转，瞄准并跟踪宇宙中的物体；这样的好处是给一个原本固定不动的天线面板增添了其部分能倾斜旋转的天线功能。
南仁东现在不急着为科学操心还有另一个原因。尽管2016年9月25日各级政要官员已云集于贵州高规格庆贺FAST竣工，望远镜依然没能按计划工作。
南仁东正在集中精力解决近期才暴露的一个技术故障，天线镜面变形功能受挫，使得早期科学应用受到限制。鲁国镛说：“毫不夸张地说，南仁东自始至终都是FAST的主要驱动力”。上世纪60年代中期，南仁东在北京的清华大学接受本科教育，学习超高频电子学，他的工程癖好自那时养成。在中国动乱的文化大革命期间，他在一家电子厂工作了十年，然后重返学术界，在合肥的中国科学技术大学获得了天文和天体物理博士学位。
酝酿建造FAST的想法由来已久，从上世纪九十年代就开始了。那时，南仁东作为中国代表团成员参加了一个国际工作组，该工作组最终提议将平方公里阵列射电望远镜（Square Kilometre Array，以下简称SKA）定为下一代射电望远镜。天文学家们一直指望着（射电）干涉技术有所进展，能合并几十甚至几百台天线面板收集的信号，这样就可以拼接一个采集面积远远大于现有规模的射电望远镜。
在早期规划时，中国曾经竞争主办SKA，拟在遍布中国西南诸省的石灰岩洼地中建设若干个大型镜面天线望远镜，中国天文学家们甚至做了FAST的初步准备工作，作为SKA望远镜的原型。
然而，SKA的支持者们最终选择了另一套设计方案，其特色是由几千枚小型天线组成阵列。2006年，中国未能进入SKA候选地址的名单之中；SKA的第一期建设预计将于2018年在南非和澳大利亚破土动工。虽然隐忍着失望，南仁东和他的同事们义无反顾地推动着中国建造FAST的进程。
天文学家李菂说，在观测如中子星这样的点源方面，以及搜寻地外文明进行多频率扫描方面，单天线面板更有优势。
李菂是FAST项目的科学家，曾在加利福尼亚州帕萨蒂娜的美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）工作过。CSIRO的一位天文学家乔治·郝布斯（George Hobbs）说，比起望远镜阵列中的众多天线面板来，单天线面板还有一个优势，那就是“造价相对低廉，且更容易直接升级”。
作为一个嗜好工程的天文学家，南仁东领导了该射电望远镜大部分早期工作，并且是该项目的首席科学家和首席工程师。FAST获得国际评审委员会批准支持后，中国国家发展和改革委员会（发改委）于2007年提供了9000万美元的经费来启动该项目；来自其它相关机构的资助把经费总额提升至1.8亿美元。南仁东一直领导着FAST的大部分准备工作，并于2008年被指定为首席科学家和首席工程师。
应该在哪儿建造这天线面板，南仁东心中早已有数，也深知这件事非同小可。早在上世纪九十年代，卫星勘测已经在中国西南诸省识别出了400个候选（喀斯特）洼地。这个数目不断缩减，最后，南仁东亲自考察了一部分候选洼地。他回忆起当时徒步跋涉到大窝凼洼地的情景，抬头望向四周，整个天空几乎呈一个圆形视野区，“就像位于一口井的底部一样”。
南仁东说：“这个地点是安装FAST的绝佳位置，（但是）建设条件恶劣无比”。
大窝凼距最近的高速公路要好几个小时，狭窄的道路颠簸崎岖，在高峰和小村落中蜿蜒穿插。为了连接洼地和最近的县城，FAST施工队修筑了7公里的道路。因为难于接近洼地，重型装备的使用也受到限制。“几乎所有的事情都是人工徒手劳作”，南仁东说，“竭尽全力的工人”在40摄氏度的高温下肩扛手提运送了100公斤的物资。相比之下，他说，“在北京或上海建设一座桥梁，那真是小菜一碟”。
FAST团队以阿雷西博望远镜为基础建模。两个大型望远镜都建在喀斯特洼地上，如林间吊床般由钢缆索网支撑，索网则悬挂固定在石灰岩顶上。与阿雷西博天文台一样，FAST也采用了非同寻常的方式来聚焦入射的无线电波。典型的射电望远镜的天线镜面是抛物面，因为抛物面形状可以将天文目标发射出的波聚焦在天线面板上方的一个点（即所谓的焦点），该点位于抛物面的轴上。望远镜的接收机或次级反射镜面就置于该点。
然而，抛物面式的望远镜必须是能够操控指向的，它需要应对地球自身的转动来指向并跟踪特定的天文目标。这是因为当目标源不在抛物面轴上时，天线镜面反射的无线电波会变形失真。阿雷西博和FAST望远镜面的总方向是完全不可能操控的，因为它们巨大的天线镜面是固定在地面上的。所以二者的形状都是球面，这样它们可以采到并集中偏轴源射来的波但并不聚焦在轴上某一点。
阿雷西博望远镜通过移动接收机平台来捕获主镜反射过来的波，从而瞄准宇宙物体。其接收机平台内部有一整套复杂的镜面系统，可以将收集来的无线电波聚焦。不过，这种方式限制了可观测的天区：仅能观测在距离天顶20度之内的范围。角度上离天顶再远的话，波的变形就会太大了。而且，整个校正系统导致接收机平台重达900吨。
然而，南仁东和他的团队设计了一套系统，能把FAST球面反射镜上的大约300米直径的部分拉成一个巧妙的抛物面，同时将接收机置于抛物面的轴上。李菂说：“这就像在大锅里形成一个小碗”。该抛物面的位置能够实时移动，确保随着地球旋转，它的轴总是指向感兴趣的宇宙物体，犹如一个可以操控方向的射电望远镜。FAST最多可观测到偏离天顶40度以内的天区。
此外，它不需要一套复杂的校正机制，故其接收机平台可配备的仪器比阿雷西博平台更多。
为了让整个系统运作起来，工程师们克服了一系列挑战。就启动装置而言，这些促动器产生的射电干扰“比来自天上的信号还要强好多倍”，南仁东说。没有合适的商用屏蔽装置，他们就自己动手研发。在工程建设上马之前的最后一轮设计评审过程中，人们意识到了另一个问题：反复绷紧和松弛普通钢缆可导致钢缆疲劳断裂。
工程人员很晚才发现这个钢缆疲劳问题，但FAST团队还是解决了它。他们使用中国人研制的抗疲劳缆，其能承受200万次应力变化周期，远远超过了FAST望远镜30年设计寿命期所要求的30万次应力变化周期。
2016年1月，4450枚用于组装天线镜面的三角形反射面板已经基本到位，但尚无任何接收机可以使用，南仁东让施工队伍草草拼凑了一根细长鱼骨状的电视天线悬挂在天线镜面之上。
虽然这个射电接收机相当原始简陋，但FAST巨大的采集面积仍能够使其捕获来自蟹状星云脉冲星的信号，该射电源位于蟹状星云中心。CSIRO的郝布斯表示：“他们居然能用一根简单的天线干这事儿，着实令人惊异”。对南仁东来说，这次测验则是FAST迎来的破晓之光——最初的科学观测开启了这台望远镜的工作生涯。
南仁东聚焦蟹状星云使中国最早的天文观测对象之一成了最近的观测对象之一：一千多年前，宋朝的天象观测者注意到一颗转瞬即逝的“客星”，后来人们确认，那是一颗超新星，而正是这颗超新星的爆发产生了蟹状星云。
FAST天线镜面的建设进入终点直道最后一程时又节外生枝。“促动器的损坏率高于正常预期值”，李菂说。团队正在调查故障原因，寻找可能的修理方案。
降恩·傅德（John Ford）表示，让一个大型望远镜的所有功能全方位正常工作永远是一个挑战。傅德此前在西弗吉尼亚州美国国家射电天文台（NRAO）的绿岸（Green Bank）望远镜工作，负责其电子系统。绿岸的100米望远镜的可操控天线镜面上装有促动器来调整和消除重力变形效应。由于总有水渗漏结冰，这些促动器“持续损坏，远远超过我们预想的程度”。
李菂说，目前，FAST的操作人员将用还能工作的促动器来控制部分反射面以形成一个抛物面，令其指向天空，跟随地球自转来捕获任何可能的信号。用这种漂移式扫描，需要200天才能观测搜巡整个北天。现在已知的（射电）脉冲星大约有2500颗，他期待他们能够再发现1000来颗。这些脉冲星犹如无线电灯塔，由旋转的中子星来提供能源，周期性发出无线电波脉冲信号，天文学家利用这些射电灯塔来研究星际间介质，以及探测引力波。
李菂声称：“我们将开展世界上最好的脉冲星巡天。”FAST项目的一位天文学家朱明发誓说：“最终，我们一定让望远镜完美地工作。”曼切斯特表示同意：“他们距取得卓越成就非常接近了。”