讲座题目：透视新科技——捕捉“天外来客”

主 持 人：胜 春

做客嘉宾：曹 臻，中国科学院高能物理研究所研究员。

徐仁新，北京大学物理学院教授。

讲座时间：2026年9月28日～10月4日

（备注：讲座视频可循环播放）

透视新科技——捕捉“天外来客”

讲座内容：

各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。在中国四川稻城海拔4000多米的地方，科研人员建立起了一个大的科学装置，它是用来观测宇宙的名字叫作LHAASO。早在2021年5月份还没有全面建成的时候，它就捕捉到了令世人瞩目的信息，那到底LHAASO看到了什么呢？通过短片来进入我们今天的节目。茫茫宇宙中存在着一种带能量的射线，自地球诞生以来，它就不断造访地球。然而，这种射线既看不见也摸不着，直到上世纪初，人类才第一次发现它。一百年前，人们才把它正式命名为宇宙线。作为来自外太空实实在在的物质，它直接参与了早期地球物质的形成，影响了地球生命的诞生，也同样能在某些情况下危害动植物的存活。2017年，在中国四川省稻城县海拔4400米的海子山上，人们建造了一座名为LHAASO的巨大探测装置来捕捉宇宙线。2021年5月，中国科学家通过LHAASO发现了迄今为止能量最高的宇宙射线。这一发现对人类而言意味着什么？它又和我们普通人有着怎样的关系？我们首先给大家介绍一下今天请来的两位嘉宾，他们分别是中国科学院高能物理研究所的研究员、高海拔宇宙线观测站的首席科学家曹臻。另外一位，是北京大学物理学院的教授徐仁新。

刚才短片提到一个词叫宇宙线，我们普通人的认知只有宇宙，宇宙线是什么？当时发现宇宙线的时候，也叫作宇宙辐射，也是把它理解成像光，光就是一种辐射，后来就发现辐射这个东西好像不太准确，因为辐射往往就是光，而宇宙线这个概念已经超出了光的概念，它就是一些各种各样的粒子。那为什么还叫它线呢？那是从光线这个地方的线来的，光就是一条线就是直线，宇宙线也是，但是它不是叫光线，就是一种线。宇宙线像一个人送了一封信过来一样，天文学上面把它称为“信使”。我们说宇宙没有最远，只有更远。当你眼睛不好的时候，你什么也看不见，你接收到的信息就非常少，不是说宇宙当中没有那么多非常剧烈的过程，只不过你眼睛看不见而已。我们要研究宇宙，我们当然要了解这些我们感兴趣的这些过程，它所带来的粒子，把它称为“信使”。对于“信使”的探测越来越灵敏，我们就会看到我们眼睛不好的时候看不到的东西。那么我们对于整个宇宙的理解就非常全面。1912年4月，奥地利物理学家维克多赫斯在5300米的高空中做实验，无意间发现了来自外太空的带电粒子，它们以接近光速的速度冲向地球的大气层，形成一条条肉眼看不见的射线。科学家们把这些“天外来客”称作宇宙线，这些冲向地球的宇宙线能量高低各有不同。一些能量极高的宇宙线，对动植物细胞有强大的杀伤力，要是没有大气层的保护，具有大量超高能量的宇宙线一旦涌向地球，将危害人类和其他动植物的生命。可另一方面，只要捕捉到极高能量的宇宙线，人们就能顺藤摸瓜追溯它的来源，不仅可以促进人们对宇宙极端天文现象的认识，还能加速人们利用宇宙线的步伐，催生新的科技进步。然而，能量越高的宇宙线越稀少，要探测或捕获这些宇宙线，需要灵敏度极高的探测装置。

过去在宇宙当中可能飘了无数的信息，但是我们没有“邮箱”去接收它们。没错。今天我们相当于有了这样一个接收的东西，LHAASO又是怎么来观测宇宙线的？LHAASO来观测这个宇宙线，它实际上是通过建立一堆探测器，摊在地面上形成一个阵列。这些阵列实际上每一个探测器的单元，相当于我们视网膜要去看这个光线，那么当光线进入到大气了之后，它就产生一堆很多很多粒子，可能会产生上亿个粒子。上亿个粒子就落在视网膜上了，然后这个视网膜记录到的每一个单元，我把它的时间和它的亮度记下来了之后，我就可以把这根光线的这个情况给它记录下来。好像我们看到LHAASO跟我们印象当中的望远镜不太一样，这是为什么呢？大家知道光线就是一个光波过来，然后用望远镜去看它，这个是一个很正常的一个过程。为什么叫望远镜？还是用光线追踪光子追到那一个星球，那个星体是什么东西？它发出来这个光就像太阳发出来的光，我们看过去太阳在这儿，不在这儿，对吧？我们看这个东西也是一样的，就是通过这个光来了之后，如果能够汇聚到这个方向去，那个地方亮了，这个就是一个东西了。这就是我们观测的结果。所以它就是个望远镜，但是看到的光，它的能量并不太高。如果这个能量越来越高，高到一定程度，比如像X射线甚至是伽马射线了之后，我们看到的就不再是一根线了，而是一个粒子，光就变成了一个粒子。光这个粒子来到地面上来之后，就像我们的视网膜要成像，怎么看见光子？我就摆上一堆探测器，把这个光子进来，在大气里面形成一大堆东西，把它收到，我就可以把光线给它找出来。

我们看到的光就是可见光，有可以比可见光更高能的，比如说X线、伽马射线，最高的就是曹老师做的这个非常高能的粒子，和大气作用以后的次粒子的探测来观测极端的宇宙线。可以这样理解，它不是一个简单的望远镜，它是一个接收器，接收装置？对。对于孩子来讲，都希望自己住在一个小区的顶楼，露台上架着一个望远镜，天文望远镜，那我想问问这个LHAASO为什么要建在高海拔地区？难道跟我们小时候的梦想也有一致的地方吗？完全一致，站在阳台上去就是为了避开有东西挡住你才能够看得更清楚，而我们看宇宙线的时候，是被什么东西挡住了呢？是被大气挡住。如果说大气的厚度足够地厚，最后这些粒子在大气中就被吸收掉了，你就看不到它了，所以你只有站到更高的地方去，大气变得越来越稀薄，然后这个时候你受到的吸收就越来越少，你会看到越来越多的东西，给两个数字，可以说明这个问题。简单的数字，宇宙线实际上是一个来自各个方向，完全均匀的一些粒子。如果我在地面，就在我们北京地区去测这个地方的话，大概平均每个平方米以上每秒钟会落下来200多个。但是我们把这件事情同样的一个东西搬到LHAASO（海拔）4400米的地方去看，一下子这个数据变成1000了。会有这么大的差异？对。

你看这就是我们跑到阳台上去的好处，原先只是个阳台或者到高山上，现在我们国家有青藏高原这样一个平台，非常独特的条件把它用上，再加上很多我们技术上的改进。那么我们可以测到非常好的宇宙射线，把自然环境充分地利用好，而且把我们国家技术上的发展也带动起来。LHAASO它跟之前的FAST等等，这有什么区别？它的波段不一样，大家看到的东西可能就不太一样。这个波段我们理解就像我们收听广播一样？对。中波、短波？没错。就是这样的，它看的是非常非常长波的，而我们看的是非常非常短波的，就是这个意思。所以不在一个观测的平面上？对，但是真正要把这个事情搞清楚，实际上我们就要讲用多波段的天文学来做这个事情的研究。比如说这次LHAASO发现的这12个源，觉得它非常有兴趣了，那我们就要跟FAST的人就要去商量，咱们一起去看看去，做同样的观测，做同时的观测。不同的波段同时来进行？这个就要多波段了。这就更综合更立体了？对。

自宇宙线发现后的一个多世纪，人们建造了许许多多大型的望远镜来捕捉它们，手段可谓“上天”“入地”“下海”，在天上人们用卫星、空间站在大气层外，直接探测宇宙线。在地面，科学家们在“世界屋脊”青藏高原上建造了羊八井大型国际宇宙线观测站，在海底南极冰层下2400米深处，安装着巨型中微子望远镜。它们各司其职，不断捕获和分析着来自宇宙的“信使”，而LHAASO这个继“中国天眼”FAST之后的全球领先天文设备，也是世界上海拔最高、规模最大、灵敏度最强的宇宙射线探测装置，科学家们在四川稻城布下“天罗地网”来捕捉这些“天外来客”。我们注意到前一段时间很多媒体在不停地转载说LHAASO有重大发现，这是对人类的贡献，它到底观测到了什么呢？首先是它发现了银河系里边存在着加速能力超强的加速器，一下子就发现了十几个，这个是一个非常大的突破。我们听到加速器的概念是人工的行为？对。在宇宙当中没有人，这个加速器怎么来？没错，这个是一个类比。加速器的话听上去像一个机器，但是实际上自然界也是有一个自然存在的，一个自然的磁场存在，把粒子束缚在里头，然后不断地给它能量，加加加把它能量加上去，这个过程都是一样的。

我们地面上的加速器有多高的能力呢？就是人工建造出来的加速器，能够达到什么水平呢？那最大的加速器就在日内瓦，欧洲联合核子研究中心，这个大家伙的周长是27公里长，它能够加速到的能量，如果把它放个电子进去加速的话，它只能加速到几十个GeV（十亿电子伏特）。几十个GeV，那我们捕捉到的这个信息，如果要是加速器发射出来的是它现在的多少倍？我们看到这个1.4个PeV（1000万亿电子伏特）的这个光子，如果是一个电子发射出来的话，这个粒子要加速到多高呢？3个PeV，跟我们原来加速到的几十个GeV的水平相比，那就是10万倍。10万倍？对。这么大的差距？对。我特别想问，我们人类的认知为什么跟真实的宇宙差距那么大？这就是我们想解决的谜，这个就是我们所谓的谜团内容之一。宇宙线的发现已经100多年了，因为我一般的粒子的能量没那么高，为什么有这么高的？包括LHAASO看到的，这一直是一个宇宙线加速之谜。建设LHAASO的目标就是为了去解决徐老师提到的这个世纪之谜，就是宇宙线的源。宇宙线实际上是我们自然界的存在的一种物质构成的一个基本成分，如果说我们已经在100年的时间之内知道了有这种东西的存在，而找不到它的源头，就跟现在我们找不到暗物质这个源头是一样的道理，所以它被列为是世纪之谜，就是这个意思。就是已经发现了一个世纪的，但是不知道它从哪里来的，尤其是不知道它为什么具有这么高的能量，这个就是我们要去研究的内容。

我们找到了能量的来源的话，到底会对人类的帮助是什么？我们整个的宇宙它的基本单元星系，星系里面是若干个恒星，那么我们这个宇宙也不是一开始就这样，它还有一个形成过程，我们说宇宙是起源于一个，大概是138亿年前的一个极端的时空膨胀，因为它像个爆炸一样的，所以我们形象地把它称为Bigbang，就是大爆炸。所以说我们要研究宇宙的结构的时候，其实跟它怎么来的，形成的过程是非常有关的。那么这些过程实际上都是跟很多，我们现在看到的这些现象是分不开的，包括宇宙线当中加速器的来源，所以说LHAASO的这个观测，表明加速器它实际上涉及了整个的银河系的结构和演化过程。我理解是这样，就是说我们现在看到的这个现象，这么高能量的高能过程到底对人类有多大的影响？我们可以从两个方面来理解这个事情。坦率地说，现在我们看到这种高能现象，对于我们目前的生活是没有太大影响的，不可能产生影响。你看我们用的普通的能源，用燃燃烧的过程，不管是燃烧汽油也好，还是燃烧煤也好，产生的能源这部分能源的能量是相当低的。那么后来就发现这个能源其实可以用原子弹爆炸的这个过程。这个时候我们就用到的是核能，而我们现在看到的这些大爆炸，就是宇宙里头的这些爆炸行为，超新星爆炸等等一些过程。这些过程的时候，这个物质已经完全进入到核的那个程度了，在那种程度下面，现在我们的能源还没够到那一步，未来的某个时代，可能我们就会用到像夸克物质，这种物质它的一个反应，它的一个过程会不会给我们产生一个能量，完全有可能。

说到LHAASO，在国际上有没有类似的这种观测站，它们的能力是什么样的？有啊，你做任何一个实验肯定有一个继承的。我们不要去说远的，就说我们自己。我们在西藏羊八井已经干了30多年了，实际上LHAASO我们称之为第三代。而前面这几代的观测站实际上规模要比这个小，大概是几十倍，甚至一百倍。您说的还是我们国内的？这是我们国内的。在国际上呢？国际上是个什么状况呢？实际上我们羊八井的观测一直是保持在所谓的第一梯队里头，大家的规模都差不多，国外的规模也差不多。比如说LHAASO实际上有三个部分组成，中间那个大的水池，那个现在我们建了七万八千平方米，那么现在在我们建好之前是最大的一个这样的水池，类似的这样的探测器是美国人建的。这个是在美国人和墨西哥在一个（海拔）4100米的地方建的观测站，这个观测站只相当于我们其中的一个水池这么大，就是我们的面积大概是它的4倍左右，这个就是一个比较。从现在的情况来看，由于LHAASO现在非常成功的发现，国际上又重新把眼光又汇聚到探测技术上来，现在欧洲人、美国人都在跟我们探讨，下面是不是要在南半球再建一个LHAASO，因为这个探测器只能看北边。

这个技术只是我们自己独家掌握的，还是我们可以在世界上分享？一旦发表就可以分享，没发表之前当然是我们要保密的了。因为科学研究都是这样，你一旦发表到这个杂志上去了之后，那就是任何人都可以去利用这个参数，利用这些数据来做研究了。这个确实是包括LHAASO，包括我们国家的其他的设备，科学家之间的互相交流是非常地重要。有一句话说得很通俗，就是好马得配好鞍的，一个好的科学家要取得好的科研成果，你往往需要有最先进的设备来帮助你来实现。有人说LHAASO是开启了一个新的科学时代，您怎么看这样的说法？这个说法其实非常准确，伽马天文学的研究虽然说是大家都是伽马光线，用伽马光线来做观测，但实际上伽马光线所覆盖的一个能区范围是非常宽广的，就像是照人的X射线，跟照工业安全检查的X射线它是不一样的，能量不一样。那么在伽马里头也是一样的，在能量低一点的伽马能区，是过去30年一个非常非常辉煌的一个领域，这个叫作甚高能区的伽马天文。这个领域是从1989年的一次重大发现，那次是发现了蟹状星云发出来的TeV（一万亿电子伏特）的光子。那么这一次，我们LHAASO的这次发现是在30年之后，甚至是30多年之后了，发现了一个能量高了1000倍的PeV（1000万亿电子伏特）的光子。

我们如果说去回望历史的话，那一次的发现所引发的就是后来的持续了30年的这个甚高能伽马天文的辉煌。放在《自然》和《科学》的文章，就发表了几十篇，那么我们这一次，LHAASO的这个发现就已经上了《自然》，还有《科学》。国际著名的科学杂志？对，那么下一步，未来的10年、20年，现在国际上对我们这个判断已经说得很清楚，未来的10年，伽马天文就是属于LHAASO的。我们这个LHAASO，它是为了解决一些跟宇宙线有关的科学问题，比如说100年来宇宙线的加速机制，其实在LHAASO的建设过程当中，也已经体现出来，LHAASO要把它建成，要把它运行好。对于很多的工业界的一些要求，其实也是带动起来了，所以从这意义上来讲的话，实际上是提升了我们国家的一个硬实力，可以看作是一个硬实力。其实，它不光是可以带动这个硬实力，对于促进我们国家软实力的提升也是非常重要的。好的科学家应该有好的设备，帮助他来实现做成一个非常好的科学成果。我们LHAASO就是这样的，我们国内的一些其他的望远镜也有这样的功能。所以说它可以给我们全球的科学家，提供一个非常好的LHAASO的平台，加强我们中国科学家和全世界一流的科学家的交流合作，这个对于我们国家提升软实力，应该说是非常有帮助。我们的LHAASO中国能建，其他国家不可以建吗？是我们掌握着建造这个观测站的核心的技术吗？可以建，但是这个确确实实需要实力的，就是刚才徐老师说的，我们如果没有这么大的实力，我们就建不起来这么大的设备。

这个实力指的是什么？一个国家的科技的投入，我们国家的经济实力，还有我们国家现在的整体的工业配套能力。综合的？对，综合的配套能力。现在我们LHAASO的成功，马上就带动了国际上对这个能区的观测的热潮。刚才不是讲打开了一个窗口，开创了一个新的学科，在这个意义上讲，国际上现在已经跟上来了，希望能建一个，比如说在南半球也建一个LHAASO，把我们就请去跟他们参与一起干。我现在碰到第一个问题去干这件事情，就会发现，实际上这个事情在国外是干不了的，LHAASO这样的事情。这么大的基建工程量，这么快的速度要把它建成，实际上是做不到的。我们现在就得想别的办法，要想能够简化，能够省钱，能够各种各样的方法，能够去想得到的办法，基建功模不要这么大等等，诸如此类都要考虑。因为这个是完全不一样的一种情况，不是不可以建，而是……是否有综合能力去建造它？没错。没有这么好的综合能力。短时间内，LHAASO在宇宙线领域的研究成果，也许并不会给人们的日常生活带来直接的影响，但它的潜在价值十分巨大。加速器是研究物质微观结构的利器，可以帮助人们了解病毒关键蛋白质结构，对付癌细胞，制造新材料等等。LHAASO通过捕捉宇宙射线，破解它的起源之谜，寻找宇宙加速器，让人们得以学习宇宙加速器的运作机理，进而在地球上造出更好的加速器，推动科研的快速进展，从而造福人类。

我们对LHAASO未来寄予的希望，还希望能够有哪些重要的发现？还是回到我们的科学目标，这次我们叫作看见了曙光，曙光一来了之后，你就看见大概在什么方向了，所以说为我们的未来的发展指明了方向。另外一个就是原来你没有接触过的整个完全未知的世界，你现在终于看到一些东西了，那么看到是多少？看到的是达到了我们需要的量没有，能不能够完成我们定下的科学目标等等这些问题都提出来了。对于我们未来的发展，实际上是指出了一个非常明确的方向。我们应该去看什么样的东西，要看多长时间，我的LHAASO的能力够不够，这些问题都已经比较清楚了。比如说我们现在看到的最高能量的光子这件事情，实际上我们现在的统计量就是收到几个，你收到的个数越少，偶然性就越大，它可能不是我们想象的那种原理，你只有通过大量的观测才能够把这个事情的原理，我们画一条曲线做一个模型，做理论的人就可以把它搞清楚，这个时候就需要你的统计量要增加的。而我们现在看到的是PeV的光子，LHAASO现在只能看到多少，现在是几乎是最强的一个源，大概也就是一年一到两个，两到三个的样子，这不够，这肯定是不够的。真正要把这个地方看清楚、看好，很可能将来我们还需要更大的LHAASO。但是现在在未来的20年之内，我们认为LHAASO肯定是不会有人超过去的，它的地位就是这么高，因为要建这么大一个东西确实不容易。

当我们的望远镜观测站越做越大的时候，会不会有一天我们完全否认了我们之前观测到的内容？倒不会完全否认，因为你眼睛不好的时候，你看着模模糊糊，但是它基本上还是在那个地方。这次我们看见的12个源里头只有一个是新的，其他都是原来人家已经看到过了，只不过是没看到这么高能量的东西而已。你这一看到高能量的东西的时候，它的意义就不一样了。将来你要再去做得更大更好的东西，只会看得越来越清楚，研究的道理就越来越明白。让我们路也越来越清晰？对，不会说是完全否定原来的，倒是不会。确实我们对于宇宙在理论上推测的时候，实际上是五花八门的。这反映出我们对于宇宙的未知，谁说的东西有没有道理，谁的道理更好，这实际上是要靠这些我们的观测。比如说LHAASO，它就是一个极高能的最后的这么一个窗口，所以是说这个窗口打开，特别是未来进一步地积累数据，提高统计量，甚至于以后建更好的LHAASO，这个实际上是非常有帮助的。因为我们要认识宇宙，我们的科学和技术是连在一块儿的。从这个意义上来讲的话，LHAASO这样的一个新的窗口打开，会告诉我们谁是想错了，这非常重要。因为我们只有不断地排除那些想错了的东西，我们才能够留下我们正确的，一个对宇宙有关的理解，刚才也说到了。

在今天的结尾，特别希望你们两位研究宇宙的科学家，告诉我们宇宙的观测跟人类的关系是什么？宇宙的观测就是增加我们人类知识，丰富人类知识体系的一个永远的驱动力，就是这种好奇心，就是我们要去探索宇宙的这些情况。探索宇宙的通常的一个办法，就是去寻找这些最极端的、最边缘的这些东西去做研究。真正能够扩展我们的知识，做LHAASO也好，不管是做其他的项目也好，做什么也好，我们的始终的一个目标都是向这个方向去的，必然跟我们的身边的生活要发生关系。从我们作为一个科学家来说，最自然而最迫切的一个问题，就是我们必须要去获得公众、政府和周边的人群对我们的支持，我们才能够把这个工作做下去，越做越大，做到真正能够达到我们的目的，扩大我们的知识范围。其实我们对宇宙的观测，做的所有的努力都是让人类对宇宙的认知更为准确？对，同时它还通过这个大科学装置的建设，还能够带动很多新的科技的发展。我们人原先只是用眼睛去看，后来发明望远镜，望远镜可以看到眼睛的延伸，像LHAASO这样的设备的运行，包括FAST一样，它会筛选出我们对于宇宙的一个正确的认识。感谢两位来到我们演播室当中，感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果你想了解我们更多节目内容，可以下载央视频，今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。