鑽石火彩的啟示：如何把人類的視力提高一億倍？

撰文 | 吳建永

責編 | 王雨丹

此系列的上篇寫了鑽石的火彩，以及珠寶商業怎樣追求完美的火彩以此賣個好價錢。本篇談談科學家怎樣利用火彩來把人類的視力提高上億倍，擴充到宇宙的邊緣。另外想推崇一下光學儀器的工匠精神，即對光和火彩充滿激情，強迫症般地追求盡善盡美，也就是我們所說的 “不瘋魔，不成活”。沒有對火彩的極度追求，就沒有今天許多驚天動地的科學發現。

光分七彩

上篇文章提到，鑽石的 “火彩” 本質上是白光通過折射變成多種色彩光的現象。我們經常見到彩虹，在太陽下走過沙地，也常能看到沙粒反射出的點點閃光（沙粒的星與火）。但當科學家牛頓買了一塊 “能把光分成彩虹的三棱鏡” 後，卻有了與常人不同的見地。牛頓說，這些現象的本質是因為白光其實是由七種不同顔色的光混合而成的。說說很容易，但要說服古今中外所有的人則需要有更高明的手段，即用實驗來證明。他技高一籌的實驗是不但可以把白光分開成為七種顔色的光，還能再把這七種光合起來，再重新變為白光（圖1）。按照這個實驗，他說不同顔色的光是由不同顔色的 “粒子” 造成（即光子）。

牛頓說光是光子的說法捅了螞蜂窩開啟了百年的科學争論。一半科學家贊成并捍衛光子學說，而另一半人則極力反對，認為光是光波。光到底是粒子還是波，雙方争論了幾百年，各自都拿出了鐵打的實驗證據。直到量子力學出現，這一争論才有了結論。這個結論就是和稀泥——光即是粒子也是波 (所謂波粒二重性），你們說光是波或是粒子都是對的，但也都是錯的，因為你們認為是波或是粒子隻能二選一。但是，隻要你們能從量子力學的角度看問題，一切就自然合理了。果然，之後大家都不再争吵了（當然，還有民科和少數哲學家沒有放棄）。

另外，牛頓說白光有 “七” 彩，是因為他在向古希臘哲學緻敬，崇拜七這個迷一般的數字。實際上，光的顔色是連續的，“七彩” 既沒道理也沒證據。

圖1 牛頓的分光實驗白光不但能被分成多種顔色，而且分出的多種顔色還能再合起來變回白光。

把彩虹攤開

那麼，“光分七彩” 這個現象到了工匠手裡，又是個啥情況？德國的玻璃工匠夫琅和費（Josef von Fraunhofer，1787-1826）首先來了個極緻玩法：把彩虹攤得好寬好寬。至此，為了叙述友善，我們要給“火彩”換個比較正式的名字，叫“光譜”（light spectrum）。中文“譜”這個意思，取自“族譜” “樂譜”。意思就是把白光分開，寬寬地攤開在桌面上，那樣便于研究。

對于攤寬了百倍的陽光光譜，夫琅和費肯定沒有找到明确分開七種顔色的分界線啦，是以牛頓的光分七彩是錯的。

然而，夫琅和費發現光譜裡面居然有好多條垂直的暗線（圖2）！雖然他當時并不知道這些暗線是啥，但強迫症般的執着促使他不斷地改進儀器，把光譜越攤越寬，看到的暗線也越來越多，最後他竟在陽光的光譜中發現了574根暗線。這些細細的黑線被命名為“夫琅和費線”。用現在的技術，太陽的光譜中已經可以看到幾百萬根夫琅和費線了。

圖2夫琅和費線陽光的光譜應該這麼讀：從右到左是紅橙黃綠青藍紫，兩邊都為黑色是因為出了可見光範圍，眼睛看不見了。右邊的黑區叫“紅外”即可見光紅色的外面。紅外光眼睛雖然看不見，但是特殊的照相機（ “夜視”相機）能看到。靠近暖氣，皮膚也能感覺到它發出的紅外光，即熱能。左邊的黑區叫“紫外”，即紫色之外。也是眼睛看不到但可以曬黑皮膚、破壞DNA和導緻皮膚癌。可見光譜和與之近鄰的紅外和紫外區可以粗分成9組夫琅和費線，A到H，每組裡又可細分成更多的組和細線。

光譜中這細細的暗線到底是什麼呢？其實就是光線通過原子周圍電子雲的時候，電子雲把光 “吃掉” 的現象。一種形狀的電子雲隻吃掉某個特定顔色的光，把這個顔色吃掉了，就會在光譜中這個顔色原來的地方留下一條黑線。自然界就是這樣神奇，太陽光通過太空到達地球的路上會遇到很多原子，并和這些原子外面的電子雲打交道。比如，遇到一億個氫原子，它們的電子雲都是跳一樣的舞，跳一個花樣并吃掉一個顔色，跳另一個花樣就吃掉另一個顔色的光。之後，陽光的光譜裡就會出現由氫原子電子雲跳舞産生的一組四根黑線（巴爾末線系）。氫是如此，氦是如此，氧鈉鈣鐵鎂汞也都是如此，像指紋一樣各有各的特征。是以，夫琅和費線是光譜上很多原子特征吸收的集合。

按說太陽光譜中的黑線在夫琅和費發現的12年前就被英國化學家瓦拉斯頓（W.H. Wollaston）發現了。但瓦拉斯頓是正經的科學男（院士, 貴金屬钯和铑的發現者），而科學男就是不如技術男瘋魔，是以黑線并沒有以瓦拉斯頓命名，隻是被後代的曆史學家提起。相反，夫琅和費卻是真的走火入魔，為把光譜分開得更寬，他甚至專門發明了一個叫 “分光計” 的儀器（圖3）。

圖3 分光計夫琅和費（前景中間站立者）向科學家們展示他新發明的分光計。

夫琅和費線的科學意義

夫琅和費線這一美麗的現象，在多個科學領域都做出了不朽的貢獻。在這裡舉兩個簡單的例子：

一是了解遠處恒星的化學組成。宇宙很大，恒星太遠而且溫度很高，人類不可能上去采樣分析。據此，那時（18世紀）有人斷定人類永遠不可能知道某些恒星的化學組成。

然而這些科學家剛說嘴，就打嘴。夫琅和費線發現的45年後基爾霍夫（Kirchhoff ）和本生（Bunsen）發現燃燒金屬會産生明亮的彩色光（腦補一下焰火），而這些彩色光在光譜上是明亮的線，與夫琅和費線（黑線）的位置完全吻合。是以基爾霍夫說燃燒的原子發射亮線，冷的原子吸收光産生黑線。夫琅和費線其實是原子對光的吸收造成的。如果星光光譜中的夫琅和費線與地球上氫、氦、鈉離子的吸收線完全吻合，說明那些地方有氫、氦和鈉，是以咱們不去實地采樣也能知道遙遠的恒星上有什麼化學元素。

第二個例子是證明宇宙膨脹。宇宙膨脹即星星都在向宇宙的外邊飛，離我們遠去。然而，我們看到的恒星都是不動的，怎樣知道它們都在高速離我們遠去呢？自1848年以來，很多天文學家發現遙遠星系的夫琅和費線的位置和近處星球的線位置不同（圖4）。而且不是一根線不同，所有的線都向紅色的方向移動，這現象稱作 “紅移”（Redshift）。

為什麼紅移可以證明宇宙在膨脹呢？我們都有這樣的經驗，當你站在街邊，遠處一輛救護車疾駛而來的時候，它的警笛聲音尖厲；而當救護車從你身邊駛過後又逐漸遠去的時候，警笛聲又變得低沉。也就是說，同樣的警笛，當它快速接近你的時侯音調會升高，快速離開你的時候音調會降低，這個現象稱作多普勒效應。光和聲音都是波，是以也會出現多普勒效應。聲波的聲調變化可以對應于光波顔色的變化。是以，警笛離你遠去時的聲調降低，可以對應夫琅和費線的紅移，說明遠處的星星正在離你遠去。天文學家哈勃（Edwin Hubble,1889-1953）在1919年用當時最強大的2.5米望遠鏡研究了上千顆星星，得出了讓人跌破眼鏡的驚人發現：距離我們越遠的星系紅移就越厲害。利用紅移作為度量可以知道看到的大部分星星屬于銀河系，這是我們的家園，而銀河系之外還有千千萬萬個與銀河系類似的 “河外星系”，它們的紅移很多是以距離非常遠。這個規律稱為哈勃定律（Hubble's law），提示了宇宙的膨脹。

圖4 紅移鄰近（左）和遙遠（右）星光的光譜中，都有比例相同的夫琅和費線，但是遙遠星光的夫琅和費線出現在光譜中更紅的區域，這個現象便是紅移。

既然星星光譜有紅移，那有沒有藍移啊？如果紅移是宇宙膨脹，那麼藍移是否意味着宇宙正在縮小？這個問題很好。實際上，天空中大多數星系在紅移，但也有少數星系在藍移，隻說明有些星系正在向我們接近，并不影響整個宇宙正在膨脹的結論（如同岸邊的回流并不影響一江春水向東流）。

仙女座星系（Andromeda， M31）就是少數藍移的河外星系。計算了一下，這個仙女正以每秒116公裡的瘋狂速度向我們沖來，四十億年後，會與我們的銀河系相撞并融為一體，到那時夜晚的天空會被多個明亮的恒星照亮，猶如絢爛的煙花（圖5）

圖5 仙女座撞銀河的驚天動地此圖是40億年後的天象。根據哈勃望遠鏡的研究和計算機模拟，由藝術家創作。圖源https://grist.org/living/galaxy-right-ahead-the-milky-ways-on-course-for-a-head-on-collision/。

望遠鏡工匠的秘籍

工匠研究光譜的目的，與科學發現的浪漫還是很不一樣的，夫琅和費的研究目的是為了發财，而且真的是以發了大财。

夫琅和費11歲時就成了孤兒，到一個玻璃作坊當學徒。他沒受過系統教育，是個自學成才的磨玻璃匠（Glass maker）。在一次廠房倒塌的緻命事故中他奇迹生還，并被當時親臨現場指揮救災的巴伐利亞王子馬柯西米蘭一世（Maximilian I， Josef）慧眼識珠。王子愛才心切，出錢給夫琅和費買了書，并指令作坊老闆容許他晚上點燈學習（老闆心疼燈油很貴）。夫琅和費成人後聽說磨制透鏡可以賺錢，就為此幹了一輩子。由于他匠心獨具，造出的天文望遠鏡被各大天文台競相訂購。

工欲善其事，必先利其器，要想有好的天文學發現，就需要有好的望遠鏡。那個時候的天文學家都知道，夫琅和費的望遠鏡就是比别家造的清楚許多。

夫琅和費磨制完美透鏡的秘籍就是利用夫琅和費線來校驗透鏡。他發現，在光譜的橙黃光區域中，有幾條暗線可以用來檢驗透鏡的品質。隻有磨得非常完美的透鏡才可以在太陽光譜中分辨開這幾條細小的黑線。

腦補一下，在巴伐利亞溫暖的陽光中，夫琅和費在他的作坊裡平心靜氣地玩着他的技術秘籍，後面大天文台的訂單追着屁股走，收錢收到手軟。在一個工匠手裡，小秘密也可以創造出巨大的經濟價值。

夫琅和費的望遠鏡還有一個非常值錢的秘密，比較複雜，需要慢慢道來。很多小夥伴讀過《說嶽全傳》，裡面有這麼一段話：“太宗皇帝駕幸五台山進香，被潘仁美引誘觀看透靈牌，照見塞北幽州天慶梁王的蕭太後娘娘的梳妝樓，但見樓上放出五色毫光……” 據我的民科級考證，所謂 “透靈牌”就是原始形态的望遠鏡，而 “五彩毫光” 就是圍繞在物體周圍的小小彩虹。這種圍繞物體周邊的小彩虹能破壞圖像分辨率，行話叫“色差”（chromatic aberration），是所有光學儀器都要極力避免的（圖6左）。色差與鑽石火彩原理一樣，都是由于不同波長的光在媒體裡折射率不同造成的。是以，在鑽石工業裡要大大發揚的火彩卻是光學儀器工業裡的敵人。

從幾百年前至今，減少色差的主要技術是用兩種不同材質的玻璃（“火石” 玻璃[flint glass，加鉛玻璃] 和 “冕牌” 玻璃[crown glass，加硼玻璃]）做成複合透鏡。這種複合透鏡也稱 “無色差” (achromat ) 透鏡（圖6右）。無色差透鏡由英國業餘科學家霍爾（他本行是律師）發明于1729年。

無色差透鏡到了夫琅和費手裡，又被玩上一個等級。他發現當時的冕牌玻璃有微觀缺陷，而且越厚缺陷積累越嚴重。是以這種玻璃實際上不能做天文望遠鏡的大型無色差物鏡。為此，夫琅和費研制了新的大型玻璃熔爐并造出自己的品牌玻璃，碾壓了其他公司。

圖6 色差與消色差透鏡左為廉價望遠鏡看到遠處物體，邊上圍繞着小彩虹。

冕牌玻璃除了加硼，還有人加少量鋅、磷、氟，甚至稀土金屬镧。至今很多配方還是一些進階光學儀器品牌的秘密。我們花大價錢買的進階相機鏡頭，主要就是買這些業内秘密。

說到冕牌玻璃的秘密配方，插個道聽途說的野史。話說佳能鏡頭的品質雖然人人誇，可美國航天局（NASA）上天的項目就是不用。為啥呢？原來佳能DSLR進階鏡頭裡的冕牌玻璃用了加氟的秘方，比較脆弱。有次太空行走，鏡頭裡面的一片透鏡遇冷居然碎了，錯失此處該照的所有照片。NASA瞬間損失了幾百億（還不是日元），于是痛定思痛，從此上天隻用柯達、尼康，再也不敢用佳能了。

有了好的玻璃，還要有好的加工。夫琅和費對鏡片加工也瘋魔，進階光學鏡片的加工精度要達到納米的等級，當時是加工天文望遠鏡片的技術難點。夫琅和費為此專門制造了新的研磨機來解決這個難題。

如此一環套一環，幾年下來，夫琅和費上司的巴伐利亞光學研究所成了世界第一。連老牌的科學大國英國都造不出那麼好的光學儀器。

可夫琅和費卻一直是個“民科”，沒學曆。用他自己的話說，“我沒時間玩那些花招子，我的研究就是為了改進望遠鏡這麼個實際目的”。直到1822年，巴伐利亞的埃朗根-紐倫堡大學（FAU， Univ. Erlangen-Nuremberg）才倒貼給了他一個名譽博士的學位。

夫琅和費确實沒有多少時間。他和當時很多玻璃匠一樣，由于沒有職業防護的知識， 39歲（1826年）就死于與重金屬中毒相關的肺病。

望遠鏡為什麼需要大口徑

夫琅和費發财是因為大口徑鏡片。那麼天文望遠鏡為啥要用大口徑鏡片呢？這是因為鏡片越大，進光越多，也就能看見更暗的天體。

另外，光學儀器的分辨率也是由鏡片的口徑大小決定的。啥叫 “分辨率” 呢？就是能看清楚兩個點的能力。人眼睛的光學分辨率是視角 “一分” ，意思就是從地平線到天頂算視角九十度，把其中的一度再分成六十份就是視角一分（圖7）。

同時，人眼瞳孔的口徑隻有兩毫米左右，由此決定了人眼睛的集光能力和分辨率。是以，天上的星星雖然都能看得見，但是除了太陽月亮，大多數天體的視角都小于人眼分辨率，是以即便是一個巨大的星系，在人類的眼睛裡就隻是一個光點。人眼在天空中能看到的大于一個點的星系隻有110個，這些星系叫做梅西耶天體（Messier objects）。

想想看，我們的肉眼隻能勉強看到宇宙中一千億個星系中的110 個，就知道人類肉眼凡胎的 “無能” 與望遠鏡的重要性了。

圖7 人眼分辨率分辯率指能分辨兩個點的能力，不是能否看得見。右邊圖中上面的兩個點可以分辨，下邊的兩點融合不可分辨。但兩種情況下光點都能看見。夜空中看到的大多數星體都是一個點，而不可以分辨其形狀。

舉個伽利略時代的例子說明人眼的分辨率。伽利略的望遠鏡有3.8厘米的口徑，能使人眼分辨率提高大約二十倍。當時城裡所有貴族名媛，都圍着他的望遠鏡大呼小叫，對着天體奇觀滿地找下巴。有一天伽利略實在被貴族們圍煩了（據野史記載），就對他奶奶說，“今天我讓您老開開眼界，看個天文奇迹”。于是架起他的望遠鏡，指向西天邊的維納斯（金星）。那長庚星在望遠鏡中已經不再是一個耀眼的亮點，而是個彎彎的月牙。沒想到他奶奶看了一眼，不屑地說 “什麼奇迹，我早就看過了”。原來他奶奶屬于人類中萬分之一的好眼睛，分辨率高到能直接看出金星的盈虧。

巨型折射望遠鏡時代

夫琅和費的望遠鏡遠超伽利略時代，他的大師級作品是9英寸（24厘米）折射式望遠鏡（圖8），比人眼的分辨率強了數百倍。夫琅和費開啟了 “巨型折射望遠鏡時代” （the great refractor ear）。各天文台競相定制夫琅和費的望遠鏡，就象今天大醫院搶購最強的醫學成像機一樣。可是巨型折射式望遠鏡時代隻延續了70年，口徑從1826年的24厘米增加到了1900年的125厘米, 然後就像恐龍一樣退出了曆史舞台。

這是因為，透鏡口徑越大鏡片越重，由于折射望遠鏡的鏡片中間通光，鏡片隻能靠其邊緣來支援其自身重量。我們在中學時就學過，玻璃是液體而不是固體，自重造成的玻璃變形足以破壞大鏡片的成像精度。

反射望遠鏡的興起

那麼，難道大型望遠鏡技術的發展就停止在夫琅和費的時代了？當然不是。望遠鏡有兩種類型，折射型和反射型（圖8）。折射型就像照相機鏡頭那樣，光從鏡片中間通過，再聚焦到眼睛。而反射型是用鏡子反射光線來收集光線，聚焦到眼睛。伽利略和夫琅和費的望遠鏡都是折射型，而現代望遠鏡大多是反射型的。

圖8 望遠鏡的兩種基本類型

反射型式望遠鏡不再需要讓光透過玻璃鏡片，而是在玻璃表面鍍上金屬，像鏡子一樣反射來光收集光線。雖然鏡片還是玻璃，但可以從下面底座上由很多點支撐，這樣，即使望遠鏡做得很大也不會出現鏡片因自重而變形的問題。

目前世界最大的光學望遠鏡是39米口徑的歐洲南方天文台極大望遠鏡（Extremely Large telescope， ELT）。ELT由798塊直徑140厘米的鏡片精确地合成高達39.3米的口徑，采光能力是人眼的一億倍，分辨率達到0.005弧秒（圖9）。這分辨率是啥概念呢？用它看月亮表面，可以看到當年美國登月留在上面的登月艙。可惜，ELT計劃了多年，目前尚未建成。

圖9 歐洲南半球天文台極大望遠鏡的想象圖。為啥工作的時候旁邊要有幾束雷射呢？因為大氣層流動造成其密度不斷變化，相當于在望遠鏡前面加個不完美透鏡。用雷射可以探測到目前大氣的不均勻，可以即時在望遠鏡的主反射鏡下面不同的地方頂一頂，讓主反射鏡稍微變形，這樣就能補償因大氣不均勻造成的分辨率降低。

太空望遠鏡

然而，望遠鏡造大了，理論上分辯率很高，但地面上的望遠鏡必須透過地球大氣層，大氣的擾動會破壞分辨率，讓望遠鏡有勁使不出（參見圖9說明）。為避免這個缺陷，人們就想把大型反射望遠鏡發射到太空裡，沒有大氣的幹擾分辨率就能更上一層樓。早在1923年，人們就開始張羅太空裡的望遠鏡，但經費和技術直到1970年才搞定，美國的NASA和歐洲航天局聯合支援了哈勃太空望遠鏡計劃。哈勃這個名字是紀念上面提到的那位發現外星離得越遠、紅移越大的天文學家哈勃。哈勃的主反射鏡口徑達到2400厘米（圖10）。

圖10 夕陽中大氣外的哈勃望遠鏡

1990年，航天飛機帶着哈勃望遠鏡升空。然而開局不順，望遠鏡傳回的圖像模模糊糊（圖11）。原來，磨制主反射鏡的工程師一時糊塗，用錯了參數。這也太扯了，望遠鏡通過了無數測試、驗收，承建人員中哪怕有一個夫琅和費那樣的工匠，也不會等到望遠鏡上天後才發現。

圖11 哈勃的2.4米主鏡片。錯誤隻有頭發絲的幾十分之一

項目上司強壓着心中奔騰的一萬匹草泥馬隻能研究補救方案，要知道哈勃計劃本身很不容易，光是搭載修補項目的航天飛機就出過兩次機毀人亡的大事故。如果在天上還修不好，浪費的巨額資金還是小事，怕就怕給群眾壞印象，讓空間望遠鏡計劃幾十年翻不了身。

終于，在1993年，航天飛機帶上去一個矯正鏡片子產品，才讓哈勃達到了設計的分辨率。之後，哈勃不負衆望，勤勤懇懇地工作了30年，傳回大量讓人驚豔的照片（圖12），大大推進了人類對宇宙的認識。

圖12 哈勃圖像的代表作上為銀河中的點點繁星；下為一個河外星系内星星誕生的過程（紅色煙塵中大量藍色的新星星），左下藍色的煙圈是一個恒星死亡的時候抛出的大量氣體。

哈勃深空場

想想天文學家盼了70年的太空望遠鏡終于上線了，排隊等着用的人該是多麼擁擠。哈勃每次隻能看天空中很小的一個區域（如同百米之外看個網球那麼個小區域），而天空中讓人感興趣的現象又那麼多，很多科學家一輩子的心願都排不上隊。在這種情況下，如果有個計劃想用哈勃慢悠悠地盯着一片空曠的天空看上十天時間，很多人一定會認為是計劃者瘋了。然而這個恰巧是哈勃最受公衆歡迎的計劃之一，叫做 “深空場計劃”。

深空計劃始于1995年聖誕新年假期。幾個科學家挑了一塊最空曠天區（在北鬥七星中間，離銀河盡量遠），連續盯着看了十天，100多個小時吧。

結果讓人驚掉下巴，這麼小的一塊空曠天區裡居然看到3000個與銀河類似的星系！（圖13），而這塊天區非常小，隻有整個天空的2400萬分之一。

深空場計劃的意外發現再一次提醒了人類的渺小，我們的地球放在太陽系的尺度上，小得看不見。把太陽系放在銀河系的尺度上，絕對是千億顆星星之一般的微不足道，而哈勃深空場告訴我們，銀河系放在宇宙的尺度上也不過是千億分之一。而深空場上兩個星系之間的空間，是否也是充滿更遠、更多的星系？這個問題，超期服役的哈勃已經不能回答了，因為這些星系距離太遠，它們的光早已紅移到哈勃看不到的紅外光區域，而紅外光被地球大氣吸收，是以這些更遠的星系隻能由哈勃的接班人—韋布太空望遠鏡來回答了。

“鴿” 了多年的韋布望遠鏡，終于在2021年聖誕節發射升空。韋布在太空的位置離地球一百多萬公裡，比月亮還遠好多，不能像哈勃那樣出了問題就派人去修。是以更需要制造者近乎瘋魔的匠心，這也是它一直推遲發射的主要原因。讓我們祝韋布好運，為人類帶來更接近宇宙邊緣的寬廣視野（據最新的消息，韋布已經渡過最令人擔心的技術難關，成功地展開了複雜的遮陽傘，正在向它的目的地進發）。

圖13 哈勃深空場，在本來空曠的天區發現數千個與銀河系類似的星系，它們的光來自宇宙誕生早期，今天才到地球。

中國天眼

目前，世界上口徑最大的望遠鏡當屬中國的500米口徑貴州射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture spherical radio telescope, FAST），俗稱 “中國天眼”（圖14）。FAST 不看星光，隻看無線電波。星光和無線電波都是電波，隻不過可見光的波長短，無線電波的波長長。

圖14 位于貴州的500米口徑射電天文望遠鏡（FAST）

FAST是世界天文科學的重器，一投入運作就當仁不讓地參與了多項熱點研究，比如尋找外星人。宇宙這麼大，人類這麼渺小，如果沒有外星人肯定是對空間的巨大浪費。FAST作為當今世界第一大電波望遠鏡，自然要承擔傾聽外星文明給咱們發短信的任務。中國天眼上的專用裝置可以從浩如煙海的電波中，自動把天體産生的自然信号和地球上人工産生的無線電信号過濾掉，然後篩選出少量有可能的信号供人研究。FAST口徑最大，靈敏度高，承擔這樣的任務是合适的。

當然FAST的主要任務還是經典科學問題，比如研究 “快速電爆”（俗稱 “宇宙中的閃光燈”）。這種迷一樣的天文現象可以在千分之一秒的短時間内發出巨大的能量。因為電爆的出現時間非常短，不能用普通望遠鏡長時間曝光來記錄，是以大型望遠鏡有着獨特的采光優勢：FAST運作後，短時間内就記錄到多個快速電爆現象。

另一項研究是氫原子21厘米線大規模測量。所謂 “21厘米線” 就是氫原子光譜中位于21厘米處的一根亮線，類似于前面說的燃燒金屬發出的一條亮線，不過這條線在微波波段裡，眼睛看不見。既然是條亮線，它也随物體運動産生紅移，是以測量不同天區的紅移就能畫出該點宇宙的三維構造。