張同杰：仰望星空 腳踏實(shí)地

本刊記者 張?zhí)炱?/p>

張同杰：仰望星空 腳踏實(shí)地

本刊記者 張?zhí)炱?/p>

他先后獨(dú)立獲得中國科學(xué)院億利達(dá)獎(jiǎng)、中國科學(xué)院上海天文臺(tái)優(yōu)秀乙等獎(jiǎng)、中國科學(xué)院院長(zhǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)、北京青年優(yōu)秀科技論文三等獎(jiǎng)、北京師范大學(xué)第七屆勵(lì)耘獎(jiǎng)學(xué)助學(xué)基金優(yōu)秀學(xué)術(shù)成果二等獎(jiǎng)。此外，他參與的教學(xué)成果《觀測(cè)宇宙學(xué)》榮獲北京師范大學(xué)教育教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，參與出版的科普類電子出版物《探索宇宙》，由于其所涵蓋的天文知識(shí)內(nèi)容豐富詳實(shí)、界面設(shè)計(jì)現(xiàn)代動(dòng)感、交互鏈接快捷方便等特點(diǎn)，榮獲第三屆國家電子出版物獎(jiǎng)提名獎(jiǎng)。

美國亞利桑那大學(xué)國家光學(xué)天文臺(tái)

自古以來，宇宙就是人們關(guān)注的對(duì)象，歷史上曾出現(xiàn)過各種各樣的宇宙學(xué)說。如中國的渾天說、蓋天說和宣夜說；西方統(tǒng)治中世紀(jì)歐洲1500多年的托勒密的地心說、16世紀(jì)波蘭哥白尼的日心說等。牛頓力學(xué)創(chuàng)立以后，隨之建立了經(jīng)典力學(xué)。到了20世紀(jì)，在大量天文觀測(cè)資料和物理學(xué)的理論基礎(chǔ)上產(chǎn)生了現(xiàn)代宇宙學(xué)。

宇宙的“大”和人類的“小”形成了鮮明的對(duì)比，人生的長(zhǎng)度和宇宙的年齡相比更是相形見絀?？墒?，人們生活在宇宙中，宇宙也可以在人們的心中。我們可以去漫步太空，遨游宇宙。

在這方面，北京師范大學(xué)天文系天體物理教研室主任張同杰無疑是探索先鋒中的一員。與航天工作者不同的是，張教授所研究的領(lǐng)域是天體物理學(xué)中的宇宙學(xué)，他所扮演的角色是一個(gè)“仰望星空”的人，不斷地求索和追隨遼闊而深邃的宇宙。

記者：宇宙在我們普通人眼里僅僅是一個(gè)空泛的概念，而在科學(xué)家眼里則是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)，您正是一位研究宇宙學(xué)的科學(xué)家，能談?wù)剝烧叩膮^(qū)別嗎？

張同杰：兩者區(qū)別很大。普通人眼里宇宙的概念，一般是通過觀看科幻電影或者閱讀科普讀物、哲學(xué)所形成的。事實(shí)上，科幻電影和科普讀物也是根據(jù)自然科學(xué)的一些知識(shí)進(jìn)行了一定程度的藝術(shù)加工創(chuàng)作而成的，哲學(xué)也是直接來源于自然科學(xué)。由于宇宙非常大，普通人眼里的宇宙只是直觀上能夠感受到的，銀河系或者其他的星系等等，所以他們會(huì)把注意力停留在一些有趣的事情上，比如外星人和UFO等。關(guān)于外星人和UFO，新聞媒體已經(jīng)炒了很多年了，但是由于這些事件沒有太多可信的證據(jù)，所以現(xiàn)在正規(guī)的科學(xué)刊物上和權(quán)威雜志上都沒有過正式的報(bào)道，報(bào)道的都是一些非官方權(quán)威的雜志。

科學(xué)家眼中宇宙的概念，是以宇宙整體為出發(fā)點(diǎn)的。在時(shí)間上，宇宙的年齡大約是137億年；在空間上，再過十年或者二十年，天文學(xué)家通過光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡或者其他更為先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡可能把整個(gè)宇宙都觀測(cè)到。研究宇宙學(xué)，目的是想了解整個(gè)宇宙的起源、演化過程等等，也包括地球在宇宙學(xué)背景下是如何產(chǎn)生的。這是站在一定的高度上去研究，從物理的角度和化學(xué)的角度，而不是停留在一些有趣的事件上。畢竟科學(xué)幻想與真正的科學(xué)是有區(qū)別的，他們的科學(xué)性不是那么強(qiáng)。當(dāng)然，科學(xué)家也可以寫一些科普作品，因?yàn)樾麄饔钪嬷R(shí)也是必要的。

記者：您是怎樣走進(jìn)天體物理和宇宙學(xué)的研究的？在求學(xué)道路上，哪位老師對(duì)您的影響最深？

張同杰：我小時(shí)的夢(mèng)想是成為一名數(shù)學(xué)家。學(xué)生時(shí)代老師們常對(duì)我們說：“學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕”，他們也常常給我們講數(shù)學(xué)家陳景潤(rùn)、華羅庚的故事，我們就是在這種氛圍下長(zhǎng)大的，后來我考大學(xué)時(shí)填報(bào)的志愿也是數(shù)學(xué)系。但是有很多科研工作者后來都沒有實(shí)現(xiàn)當(dāng)初的理想，我也是其中之一。大學(xué)我被錄取到了山東德州師專(現(xiàn)德州學(xué)院)物理系，雖然物理學(xué)也離不開數(shù)學(xué)，我當(dāng)時(shí)還是想過轉(zhuǎn)去數(shù)學(xué)系學(xué)習(xí)。但是接觸了更多物理學(xué)知識(shí)之后，發(fā)現(xiàn)我對(duì)物理學(xué)更感興趣，特別是把物理學(xué)的基礎(chǔ)掌握得更扎實(shí)了之后，反而覺得數(shù)學(xué)缺乏比較實(shí)際的東西，相對(duì)來說較為枯燥。當(dāng)時(shí)德州師專很多老師如王寶泉，王興孔，姜萬錄，曹志明，陳式誠和賀金玉等老師對(duì)我在物理學(xué)和數(shù)學(xué)上影響很大，這些老師的教誨更加奠定了我學(xué)習(xí)物理學(xué)的決心。其中賀金玉老師(現(xiàn)任德州學(xué)院院長(zhǎng))在電動(dòng)力學(xué)方面的指導(dǎo)，以及在人生目標(biāo)的規(guī)劃方面的點(diǎn)撥和鼓勵(lì)，使我終生受益，沒有他的指點(diǎn)我不可能走到現(xiàn)在取得現(xiàn)在的成績(jī)。在山東省教育學(xué)院數(shù)學(xué)物理系(現(xiàn)齊魯師范學(xué)院物理系)讀本科時(shí)，郭守元老師講授的課程是關(guān)于數(shù)學(xué)物理方法的相關(guān)內(nèi)容，在課堂上，他經(jīng)常會(huì)講一些宇宙大爆炸的知識(shí)，這對(duì)我影響也很大，加上我在課余時(shí)間也經(jīng)常閱讀相關(guān)報(bào)紙和書籍，漸漸地對(duì)天體物理產(chǎn)生了濃厚的興趣，1993年終于考取了中科院上海天文臺(tái)的研究生。從研究物理學(xué)發(fā)展到研究天文學(xué)，其間跨度就沒有那么大了，因?yàn)槎哧P(guān)系較為密切.物理學(xué)中很多理論都是從天文學(xué)觀測(cè)總結(jié)而來的，比如開普勒根據(jù)前人對(duì)太陽系行星多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)出了開普勒三定律。

我在中科院上海天文臺(tái)讀研究生的兩位導(dǎo)師對(duì)我影響都很大。宋國玄老師是我的碩士和博士導(dǎo)師，他引領(lǐng)我進(jìn)入天體物理的研究領(lǐng)域。宋老師研究的是星系的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，使我掌握了數(shù)值模擬這個(gè)非常重要的研究工具。沈有根老師研究量子宇宙學(xué)，我跟隨沈老師做量子宇宙學(xué)方面的博士論文，這是非常前沿的領(lǐng)域。宋老師在數(shù)值模擬方面的指導(dǎo)為我日后的研究打下了堅(jiān)實(shí)的數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)，而沈老師則在早期宇宙理論方面幫助我奠定了宇宙學(xué)理論的基石，兩位導(dǎo)師的完美聯(lián)合指導(dǎo)對(duì)我的博士論文和日后的科研有著極大的幫助。此外，兩位導(dǎo)師高尚的人格和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度對(duì)我也有很大的影響。受體制的影響，國內(nèi)很多科研人員都很浮躁，甚至急功近利，但兩位老師，尤其是沈老師仍然對(duì)自己嚴(yán)格要求，時(shí)刻牢記華羅庚先生對(duì)他的教誨，做學(xué)問一絲不茍，不計(jì)名利，讓我由衷地佩服和尊敬，永遠(yuǎn)是我科研道路上的楷模。

記者：在天體物理方面，您有哪些重要的研究成果呢？

張同杰：談不上重要成果，只是有一些我自己覺得可以談一談的地方。主要有兩方面的問題，其中一方面就是在宇宙學(xué)的數(shù)值模擬方面，我們做了弱引力透鏡方面的研究。舉例來說，在距離很遠(yuǎn)處有一個(gè)天體或類星體等，它發(fā)出的光經(jīng)過星系或者星系團(tuán)到達(dá)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，會(huì)發(fā)生引力透鏡效應(yīng)，因而該天體或類星體可能會(huì)形成幾個(gè)像，如果背景是一個(gè)星系，星系的形狀就會(huì)發(fā)生變化，這是引力場(chǎng)的擾動(dòng)造成的，我們用數(shù)值模擬去研究這些問題。目的是為了確定宇宙中這些物質(zhì)的含量，目前能夠觀測(cè)到的宇宙中物質(zhì)成分占了30%左右，其中包括用一般的電磁波能探測(cè)到的重子物質(zhì)，以及只能間接探測(cè)到的暗物質(zhì)，而另外70%左右則是暗能量，是我們目前很難直接觀測(cè)到的組成部分。在我們的銀河系、星系團(tuán)和大尺度結(jié)構(gòu)形成的過程中，它們是從早期很小的密度擾動(dòng)，經(jīng)過了引力不穩(wěn)定性慢慢從非線性階段到線性階段逐漸形成的。在經(jīng)過非線性階段的時(shí)候，損失很多信息，我們觀測(cè)到的只是復(fù)雜的非線性階段之后的結(jié)果。我們通過小波技術(shù)，利用數(shù)值模擬出的圖像，能有效找回?fù)p失掉的信息，這對(duì)于研究整個(gè)宇宙及其各個(gè)階段的狀態(tài)具有重要意義。找回的信息越多，我們對(duì)宇宙的理解也就越清楚，這是我們最近幾年做的非常有意義的工作. 我和研究生于浩然關(guān)于這方面最近的兩個(gè)研究成果，其中一個(gè)已經(jīng)在國際著名刊物《天體物理[The Astrophysical Journal]》雜志上發(fā)表[2011 ApJ ,728, 35(arXiv:1008.3506)]; 另一個(gè)工作(arXiv:1012.0444)正在回復(fù)The Astrophysical Journal雜志審稿人的意見。

另外一方面，是我們從2006年以來一直做的一項(xiàng)工作，可以說是國際上最前沿的問題，就是利用哈勃參量數(shù)據(jù)對(duì)宇宙學(xué)模型進(jìn)行限制。在我們做這項(xiàng)工作之前，美國有一個(gè)小組，通過利用星系的年齡而得到的數(shù)據(jù)，對(duì)標(biāo)量場(chǎng)的勢(shì)進(jìn)行了限制，但是他們沒有把這批數(shù)據(jù)用在宇宙學(xué)參量的限制上。宇宙學(xué)參量就是指宇宙中物質(zhì)占多少暗能量占多少等數(shù)據(jù)情況，我們是國際上第一個(gè)把這批數(shù)據(jù)應(yīng)用在宇宙學(xué)參量限制上的科研團(tuán)組，現(xiàn)在國際上很多這方面的研究同行都在關(guān)注我們的這項(xiàng)工作的成果，所以引用率很高。目前我也正被邀請(qǐng)寫一篇關(guān)于這方面研究的綜述性文章(arXiv:1010.1307)，很快也會(huì)在美國Advance in Astronomy上發(fā)表。另外，我和研究生馬驄在這方面做了更加深入的工作，即對(duì)這批數(shù)據(jù)做了一個(gè)模擬，研究模擬出的數(shù)據(jù)在將來對(duì)宇宙學(xué)參量的限制能力。我們的工作將在The Astrophysical Journal雜志2011年3月第729卷第2期[March 10,2011,v729-2.issue (arXiv:1007.3787)]發(fā)表。

這兩方面工作近幾年在國際上是很有影響的，目前項(xiàng)目進(jìn)展?fàn)顩r良好。第一個(gè)項(xiàng)目是我?guī)е鴰讉€(gè)碩士生在做，而且和加拿大理論天體物理研究所、美國亞利桑那大學(xué)物理系的天體物理學(xué)家進(jìn)行合作，進(jìn)展非常順利，第一項(xiàng)工作結(jié)束之后馬上還會(huì)有一系列的工作緊接著進(jìn)行?，F(xiàn)在我們把小波技術(shù)應(yīng)用在大尺度結(jié)構(gòu)形成過程中的信息損失降低上，可以說開創(chuàng)了一種新的研究方法，我們還設(shè)想把它運(yùn)用到天體物理結(jié)構(gòu)形成的各個(gè)領(lǐng)域中，比如引力透鏡等方面。這個(gè)項(xiàng)目雖然只是一個(gè)開端，但是已經(jīng)得到了國際的公認(rèn)，論文還沒有發(fā)表就已經(jīng)被引用了。關(guān)于第二個(gè)項(xiàng)目，因?yàn)楝F(xiàn)在哈勃參量的觀測(cè)數(shù)據(jù)還不多，將來會(huì)越來越多，所以前途更是不可限量。至于我們對(duì)這些數(shù)據(jù)所進(jìn)行的模擬所呈現(xiàn)出的對(duì)宇宙學(xué)的參量的限制能力會(huì)有怎樣的效應(yīng)，隨著未來對(duì)宇宙觀測(cè)的更深入，數(shù)據(jù)的增加，我們的工作會(huì)得到進(jìn)一步的驗(yàn)證。

記者：關(guān)于宇宙運(yùn)行的周期，發(fā)展變化規(guī)律，一直有很多普通科普愛好者乃至公眾都很感興趣，比如前一階段流行的“2012世界末日說”，您對(duì)這方面有什么樣的看法？未來的宇宙將有怎么樣的變化發(fā)展？

張同杰：人們對(duì)它的關(guān)注是有原因的，最近幾年自然災(zāi)難很多，海嘯、火山、地震等頻繁發(fā)生，人類去思考這些問題很正常。環(huán)境污染是上百年造成的，從英國的工業(yè)革命開始，各種污染成倍增加（詳細(xì)數(shù)據(jù)參見美國能源部長(zhǎng)華裔美國物理學(xué)家諾貝爾獎(jiǎng)獲得者朱棣文訪華期間的演講），雖然現(xiàn)在生活水平大大提高了，但這是建立在高耗能、高污染的基礎(chǔ)上的。最近大量的自然災(zāi)害，與人類對(duì)地球肆無忌憚地開采、掠奪是有關(guān)系的。人們看問題，更應(yīng)該從歷史角度，不應(yīng)該從迷信和渲染的角度去看問題。關(guān)于“2012”的問題，我在美國的時(shí)候，很多宗教人士的觀點(diǎn)都不盡相同，他們是從圣經(jīng)的角度談世界末日，同樣信仰基督教的人之間的觀點(diǎn)也是有矛盾的。當(dāng)然我是從科學(xué)的角度思考問題，我們天體物理學(xué)家是不相信世界末日的。我認(rèn)識(shí)一個(gè)著名的宇宙學(xué)家，他曾經(jīng)計(jì)算過“世界末日”，也就是地球被毀滅的概率。他使用的是科學(xué)的方法，考慮了各種因素，比如地球上大的自然災(zāi)害，小行星撞擊地球或者附近超新星爆發(fā)后噴射的物質(zhì)流掃過地球并對(duì)地球產(chǎn)生威脅等因素。他經(jīng)過計(jì)算，得出了：在未來10億年之內(nèi)，地球被毀滅的概率是很小的，當(dāng)然不排除地球上大量能源的耗費(fèi)，大量的污染對(duì)生態(tài)的破壞和對(duì)地球局部的破壞，但綜合幾個(gè)重要的因素來看，他的推算是沒什么問題的，這篇文章發(fā)表在Nature雜志上?！?012”的預(yù)言是瑪雅文化的一部分，很古老，很深邃，我們看瑪雅文明要像看神話故事一樣，但所謂的預(yù)言是沒有什么科學(xué)依據(jù)的，從天文學(xué)角度來看，這是不可能發(fā)生的。

記者：我們從您的經(jīng)歷中了解到，您走訪過很多個(gè)國家的研究機(jī)構(gòu)和高校，您在學(xué)術(shù)交流中有什么樣的心得和體會(huì)？

張同杰：近十年之中，我訪問過美國、加拿大、法國、意大利、日本等國家的一些國際頂尖大學(xué)和研究所，與國際知名天體物理學(xué)家進(jìn)行討論合作研究，深感國外研究機(jī)構(gòu)學(xué)術(shù)管理的合理性和學(xué)術(shù)氛圍的科學(xué)性。當(dāng)然，這與西方文化本身的特點(diǎn)有著密切關(guān)系，而國內(nèi)學(xué)者的生活和工作習(xí)慣以及東方文化本身一些特點(diǎn)也是導(dǎo)致國內(nèi)學(xué)術(shù)氛圍差的重要因素。尤其是國內(nèi)學(xué)術(shù)評(píng)價(jià)和管理以及各級(jí)教育理念和模式存在嚴(yán)重的不合理性，因而不能與國際先進(jìn)機(jī)制接軌，導(dǎo)致國內(nèi)學(xué)者急功近利，沒有辦法也不愿去做那些耗時(shí)長(zhǎng)很難出成果的研究方向，也恰恰是這些方向才有可能有重大發(fā)現(xiàn)。這也是國內(nèi)學(xué)者很難做出開創(chuàng)性研究成果的重要原因，這也許可以部分回答“錢學(xué)森之問”。

我2002至2003年作為國家訪問學(xué)者訪問了多倫多大學(xué)加拿大天體物理研究所，多倫多大學(xué)物理系和天文系的研究生除在本系外還可以在加拿大天體物理研究所選擇任何導(dǎo)師做研究。在五年的博士生學(xué)習(xí)中，學(xué)生在前兩年要換幾個(gè)方向，跟不同的導(dǎo)師做研究。在最后兩至三年之中確定一個(gè)大的研究方向。另外，加拿大和美國的暑期很長(zhǎng)，有3個(gè)月，政府會(huì)在暑期資助本科生到大學(xué)和研究所跟教授做研究，即暑期學(xué)生（summer student）。這樣的機(jī)制能夠較早地讓本科生進(jìn)入科研領(lǐng)域。在2005年至2006年，我獲世界實(shí)驗(yàn)室資助前往美國亞利桑那大學(xué)物理系進(jìn)行博士后研究。亞利桑那大學(xué)天文系每天上午10點(diǎn)的coffee time令我印象至深。每周一到五的coffee time中教授和研究生都可以討論學(xué)術(shù)問題，也可談學(xué)術(shù)之外的問題。這樣的交流大大增強(qiáng)了研究生與教授之間的溝通?；貒笪乙苍谥笇?dǎo)研究生過程中特別注意培養(yǎng)學(xué)生研究的廣度和深度，在一個(gè)研究領(lǐng)域進(jìn)行不同方向的研究。我的研究生除了跟我作研究外，還要到其他大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)和國外其他導(dǎo)師合作研究。這樣大大開闊了學(xué)生的研究面，已經(jīng)取得了很好的效果。

記者：現(xiàn)在您作為導(dǎo)師，在對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)方面有什么樣方法和特色？

張同杰：我現(xiàn)在帶了六個(gè)研究生，其中有兩個(gè)博士，四個(gè)碩士。在我看來，博士生的指導(dǎo)可以放開些，只需限定具體的科研方向即可，讓其自己探索，發(fā)現(xiàn)科學(xué)的想法。碩士生的指導(dǎo)和博士生相比，需要更加的具體化，細(xì)致化。因?yàn)楸究粕€沒有完成他們自己學(xué)習(xí)階段的基礎(chǔ)課程，也沒有研究生的理論基礎(chǔ)和科研訓(xùn)練，所以我采取了不同的指導(dǎo)方法。首先，篩選出的本科生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)應(yīng)該是扎實(shí)的，在學(xué)業(yè)上應(yīng)該是有余力的，對(duì)這些學(xué)生可以進(jìn)行科研訓(xùn)練挖掘他們的科研潛力。當(dāng)然也有一些對(duì)科研非常有興趣但成績(jī)稍差的學(xué)生，不要壓制他們的積極性，在兼顧他們功課學(xué)習(xí)情況適當(dāng)讓他們做些基本的科研工作。

我把博士生、碩士生和本科生三個(gè)團(tuán)隊(duì)有機(jī)結(jié)合在一起，根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)分配不同的任務(wù)，他們之間相互協(xié)作、相互指導(dǎo)，形成一個(gè)合作群體，效率很高。我在本科生科研方面的成績(jī)已經(jīng)引起國內(nèi)研究同行，高等院校管理者和媒體的廣泛關(guān)注。

古希臘第一位哲學(xué)家泰勒斯號(hào)稱“科學(xué)之祖”，相傳，他晚上走路，頭望星空，看出第二天有雨。但一不小心，一腳踏空，掉進(jìn)泥坑，后被人救起。第二天果然下了雨。有人譏笑哲學(xué)家只知道天上的事情，卻看不見腳下的東西。然而溫家寶總理說：“一個(gè)民族只有擁有那些關(guān)注天空的人，這個(gè)民族才有希望。如果一個(gè)民族只是關(guān)心眼下腳下的事情，這個(gè)民族是沒有未來的?！闭軐W(xué)如此，科學(xué)亦如此。

張同杰采訪中也提到了溫總理的這首“仰望星空”?！拔覀兯芯康捻?xiàng)目都是學(xué)科上比較前沿的問題，前景都是非常好的，”他這樣說，“但是，同時(shí)我們也要腳踏實(shí)地，克服受體制影響所形成的浮躁風(fēng)氣?！?/p>

這就是踏實(shí)努力、碩果累累的張同杰教授和他的科研團(tuán)隊(duì)，他們正用實(shí)際行動(dòng)譜寫著青春，詮釋著夢(mèng)想。

專家檔案：張同杰，現(xiàn)任北京師范大學(xué)天文系天體物理教研室主任，教授，博士生導(dǎo)師。1999年7月獲得中國科學(xué)院上海天文臺(tái)天體物理博士學(xué)位。張同杰教授長(zhǎng)期在一線從事天體物理和宇宙學(xué)的研究，除在北京師范大學(xué)任職外，同時(shí)還擔(dān)任北京大學(xué)高能物理研究中心青年學(xué)者(PUCHEP Fellow)，中國天文學(xué)會(huì)會(huì)員，北京天文學(xué)會(huì)會(huì)員，國際天文聯(lián)合會(huì)（IAU）宇宙學(xué)分會(huì)會(huì)員等。主持完成國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——利用弱引力透鏡限制宇宙學(xué)模型，國家教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃項(xiàng)目——引力透鏡宇宙學(xué)研究，主持在研國家教育部自主科研基金項(xiàng)目——宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與暗能量研究。