第二章學生物理發明啟迪5(3 / 3)

提起射電天文學的創建和發展,不能不說到英國劍橋大學卡文迪什實驗室和在那裏工作的兩位著名物理學家,他們是賴爾(MartinRyle)和休伊什(AntonyHewish)。賴爾在射電天文學方麵做出了先驅性工作,特別是發明了所謂的綜合孔徑技術,休伊什則是在發現脈衝星的過程中起了決定性的作用,他們共同獲得了1974年諾貝爾物理學獎。

賴爾1918年9月27日生於英格蘭的一個書香門第的家庭裏,很小就對天文學有特殊的愛好。他喜歡獨自思考,善於動手,學過木工手藝,長大後參加過製造帆船和航海活動。賴爾的祖父是一位業餘天文愛好者,擁有一架10厘米的折光望遠鏡。據說賴爾小時候曾因思考廣袤空間為什麼能永恒存在而夜不入寐。在中學時代,他對無線電非常感興趣,自己動手製造發射機,參加業餘無線電愛好者活動站。1936年賴爾進入牛津大學基督教會學院學習物理。他對卡文迪什實驗室阿普頓(EVAppleton)教授的電離層研究很感興趣,立誌要進到卡文迪什實驗室參加電離層研究。1939年,他一畢業就被阿普頓的合作者拉特克列夫(JARatcliffe)教授招到卡文迪什實驗室的電離層無線電研究小組,準備跟隨拉特克列夫做博士論文。可是還沒有開始就爆發了第二次世界大戰。這時戰爭的需要壓倒一切,而雷達和天線的研製又是最急迫的任務。於是,賴爾發揮他對無線電的特長為加強國防出力。在卡文迪什實驗室,他開始接觸到雷達天線的工作,做了許多模擬試驗,還進行過新式天線的設計。不久賴爾應征加入英國空軍部研究所,後轉電訊研究所工作,他先是從事波長15米機載攔截雷達天線係統的研製,並發展了機載定向天線。還參與用於鑒別敵我飛機的機載雷達應答器的研製。1941年初,賴爾負責一個小組,研製厘米波雷達的測試設備,製造了原型的厘米波信號發生器、波長計、功率計和脈衝監視器。

1942年賴爾曾參與研製對付德軍監視英國飛機的預警雷達係統的機載幹擾發射機和對付德軍機載通訊係統的幹擾發射機。賴爾還設計了一種非常有效的機載預警接收機,幫助轟炸機及早躲避敵機的攔截雷達的追蹤。

1944年,賴爾和他的小組參加了一個複雜的電子欺騙行動,以掩護盟軍在諾曼底登陸,他們設計了應答器,模擬艦隊的回波雷達信號。這個行動獲得了成功。

賴爾還發現德國初期V2火箭的製導是靠地麵發射信號來控製火箭最後飛行速度和熄火時刻的秘密,發射信號是隱沒在寬帶的一大堆混淆信號中的一對頻率。為此他設計了一種新型接收機,專門用於搜索這對頻率,並用機載的大功率幹擾發射機進行幹擾,從而達到了破壞V2火箭命中率的目的。

1942年2月12日兩艘德國軍艦在幹擾掩護下逃離英吉利海峽之後兩周,英國防空雷達又遇到了一次大幹擾。這一幹擾曾經使4米防空雷達的回波經常出現消失。人們甚至猜測是不是德國人發明了一種新的幹擾器件。但是也有人認為,這一消失可能是來自太陽的射電電波造成的。負責調查這次事件的海伊(J.S.Hey)發現,引起這次幹擾的是太陽上一個大黑子群中產生的大耀斑。如果這一不期而遇的現象是真實的,太陽射電就大有研究的價值了。但是由於這個問題涉及軍事秘密,沒有公開,隻有少數人接觸到,而知道這個戰時軍事秘密的正是拉特克列夫。拉特克列夫認為,這是一個極富挑戰性的課題。戰爭期間由於軍事問題優先,不可能對這類現象做深入研究。現在戰爭結束了,由於無線電接收機的靈敏度和信噪比大大提高,使得觀測來自太陽的無線電波變成容易得多,有可能做出判決性的結論。因此他就建議剛剛從軍隊返回卡文迪什實驗室的賴爾針對這個問題進行研究。

賴爾和他的同事從1945年12月開始檢驗來自太陽的米波射電。1947年斯密士(F.G.Smith)加入,1948年休伊什也加入進來了。

1948年太陽黑子周期接近最大,這是一次極好的觀測機會,可以全時連續記錄來自太陽的射電輻射。以前的觀測表明,來自太陽的厘米波輻射是非常明顯的,任何時候都可以觀測到,然而米波輻射則很少記錄,隻有在太陽黑子活動較為頻繁的期間才能觀測到。這是什麼原因?是不是在其他時間裏太陽就沒有米波輻射?或者這一輻射的強度極低,以至儀器的靈敏度無法檢測到?

為了回答這個問題,賴爾等人建造了一台設備,可以獲得比戰時米波雷達高大約100倍的角分辨率,從而探測到比過去所見弱得多的信號。他們發現,太陽米波輻射在所有時間裏都可以測到,而且比預想的強得多。

1949年賴爾和翁伯格(D.D.Vonberg)按照自己的方案設計了一台獨特的幹涉射電天文望遠鏡。這台儀器由兩組天線陣構成,指向子午線,這樣就可以當地球旋轉時,接收角掃過太陽,從兩組天線分別得到的電流在電學儀器上產生幹涉圖像。天線之間的距離大約為250米,可以隨意改變,從幹涉圖像的變化可以計算出產生射電波的太陽那塊表麵麵積的直徑。計算的原理和邁克耳遜幹涉望遠鏡的幹涉條紋計算星體直徑的原理是一樣的。由此賴爾和翁伯格發現,在太陽活動期,射電源是非常密集的,它的大小比太陽本身要小得多。

幹涉射電天文望遠鏡的發展是卡文迪什實驗室在射電天文學方麵的主要特色。這類望遠鏡越做越大,角度分辨率越來越高,於是就有越來越多的射電源得以確證,其形狀也一一被描繪出來。望遠鏡的靈敏度增大了,足以探測更弱的、更遙遠的射電源。同時,他們也相應地研製出了各種與之有關的電學儀器。

在賴爾的領導下,劍橋大學先後建立了一係列通用和特殊的射電天文望遠鏡,到了1972年又新開設了5千米的射電天文望遠鏡,這是相當宏偉的工程。

與這些設備的改進相伴的是,這裏用上了更有效的方法。這就是所謂“孔徑綜合”技術。隻要用小的天線,連續地移動到和巨型射電天文望遠鏡各部分相應的位置,再把信號送到計算機裏加以綜合,就可以獲得跟巨型射電天文望遠鏡同樣的效果。

賴爾是射電天文學的主要創建者之一,他發明的綜合孔徑射電天文望遠鏡成為世界各國射電天文學家仿效的典範。他創建的卡文迪什射電天文學基地成為國際上最重要的射電天文研究中心之一。他在射電天文觀測技術、射電宇宙學和射電源物理學等方麵做出了大量的創造性貢獻和發現,使英國的射電天文學研究長期處在領先地位。他培養了大批優秀的射電天文學家,這些人才又在射電天文學中做出了大量成果。休伊什發現脈衝星就是其中最有價值的貢獻之一。