張同杰：仰望星空 腳踏實地

本刊記者 張天奇

張同杰：仰望星空 腳踏實地

本刊記者 張天奇

他先后獨立獲得中國科學院億利達獎、中國科學院上海天文臺優秀乙等獎、中國科學院院長優秀獎、北京青年優秀科技論文三等獎、北京師范大學第七屆勵耘獎學助學基金優秀學術成果二等獎。此外，他參與的教學成果《觀測宇宙學》榮獲北京師范大學教育教學成果獎二等獎，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內容豐富詳實、界面設計現代動感、交互鏈接快捷方便等特點，榮獲第三屆國家電子出版物獎提名獎。

美國亞利桑那大學國家光學天文臺

自古以來，宇宙就是人們關注的對象，歷史上曾出現過各種各樣的宇宙學說。如中國的渾天說、蓋天說和宣夜說；西方統治中世紀歐洲1500多年的托勒密的地心說、16世紀波蘭哥白尼的日心說等。牛頓力學創立以后，隨之建立了經典力學。到了20世紀，在大量天文觀測資料和物理學的理論基礎上產生了現代宇宙學。

宇宙的“大”和人類的“小”形成了鮮明的對比，人生的長度和宇宙的年齡相比更是相形見絀。可是，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，張教授所研究的領域是天體物理學中的宇宙學，他所扮演的角色是一個“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空泛的概念，而在科學家眼里則是一門嚴謹的科學，您正是一位研究宇宙學的科學家，能談談兩者的區別嗎？

張同杰：兩者區別很大。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、哲學所形成的。事實上，科幻電影和科普讀物也是根據自然科學的一些知識進行了一定程度的藝術加工創作而成的，哲學也是直接來源于自然科學。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，所以他們會把注意力停留在一些有趣的事情上，比如外星人和UFO等。關于外星人和UFO，新聞媒體已經炒了很多年了，但是由于這些事件沒有太多可信的證據，所以現在正規的科學刊物上和權威雜志上都沒有過正式的報道，報道的都是一些非官方權威的雜志。

科學家眼中宇宙的概念，是以宇宙整體為出發點的。在時間上，宇宙的年齡大約是137億年；在空間上，再過十年或者二十年，天文學家通過光學望遠鏡、射電望遠鏡或者其他更為先進的望遠鏡可能把整個宇宙都觀測到。研究宇宙學，目的是想了解整個宇宙的起源、演化過程等等，也包括地球在宇宙學背景下是如何產生的。這是站在一定的高度上去研究，從物理的角度和化學的角度，而不是停留在一些有趣的事件上。畢竟科學幻想與真正的科學是有區別的，他們的科學性不是那么強。當然，科學家也可以寫一些科普作品，因為宣傳宇宙知識也是必要的。

記者：您是怎樣走進天體物理和宇宙學的研究的？在求學道路上，哪位老師對您的影響最深？

張同杰：我小時的夢想是成為一名數學家。學生時代老師們常對我們說：“學好數理化，走遍天下都不怕”，他們也常常給我們講數學家陳景潤、華羅庚的故事，我們就是在這種氛圍下長大的，后來我考大學時填報的志愿也是數學系。但是有很多科研工作者后來都沒有實現當初的理想，我也是其中之一。大學我被錄取到了山東德州師專(現德州學院)物理系，雖然物理學也離不開數學，我當時還是想過轉去數學系學習。但是接觸了更多物理學知識之后，發現我對物理學更感興趣，特別是把物理學的基礎掌握得更扎實了之后，反而覺得數學缺乏比較實際的東西，相對來說較為枯燥。當時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我在物理學和數學上影響很大，這些老師的教誨更加奠定了我學習物理學的決心。其中賀金玉老師(現任德州學院院長)在電動力學方面的指導，以及在人生目標的規劃方面的點撥和鼓勵，使我終生受益，沒有他的指點我不可能走到現在取得現在的成績。在山東省教育學院數學物理系(現齊魯師范學院物理系)讀本科時，郭守元老師講授的課程是關于數學物理方法的相關內容，在課堂上，他經常會講一些宇宙大爆炸的知識，這對我影響也很大，加上我在課余時間也經常閱讀相關報紙和書籍，漸漸地對天體物理產生了濃厚的興趣，1993年終于考取了中科院上海天文臺的研究生。從研究物理學發展到研究天文學，其間跨度就沒有那么大了，因為二者關系較為密切.物理學中很多理論都是從天文學觀測總結而來的，比如開普勒根據前人對太陽系行星多年的觀測數據總結出了開普勒三定律。

我在中科院上海天文臺讀研究生的兩位導師對我影響都很大。宋國玄老師是我的碩士和博士導師，他引領我進入天體物理的研究領域。宋老師研究的是星系的計算機數值模擬，使我掌握了數值模擬這個非常重要的研究工具。沈有根老師研究量子宇宙學，我跟隨沈老師做量子宇宙學方面的博士論文，這是非常前沿的領域。宋老師在數值模擬方面的指導為我日后的研究打下了堅實的數值計算基礎，而沈老師則在早期宇宙理論方面幫助我奠定了宇宙學理論的基石，兩位導師的完美聯合指導對我的博士論文和日后的科研有著極大的幫助。此外，兩位導師高尚的人格和嚴謹的治學態度對我也有很大的影響。受體制的影響，國內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自己嚴格要求，時刻牢記華羅庚先生對他的教誨，做學問一絲不茍，不計名利，讓我由衷地佩服和尊敬，永遠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的數值模擬方面，我們做了弱引力透鏡方面的研究。舉例來說，在距離很遠處有一個天體或類星體等，它發出的光經過星系或者星系團到達望遠鏡時，會發生引力透鏡效應，因而該天體或類星體可能會形成幾個像，如果背景是一個星系，星系的形狀就會發生變化，這是引力場的擾動造成的，我們用數值模擬去研究這些問題。目的是為了確定宇宙中這些物質的含量，目前能夠觀測到的宇宙中物質成分占了30%左右，其中包括用一般的電磁波能探測到的重子物質，以及只能間接探測到的暗物質，而另外70%左右則是暗能量，是我們目前很難直接觀測到的組成部分。在我們的銀河系、星系團和大尺度結構形成的過程中，它們是從早期很小的密度擾動，經過了引力不穩定性慢慢從非線性階段到線性階段逐漸形成的。在經過非線性階段的時候，損失很多信息，我們觀測到的只是復雜的非線性階段之后的結果。我們通過小波技術，利用數值模擬出的圖像，能有效找回損失掉的信息，這對于研究整個宇宙及其各個階段的狀態具有重要意義。找回的信息越多，我們對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于這方面最近的兩個研究成果，其中一個已經在國際著名刊物《天體物理[The Astrophysical Journal]》雜志上發表[2011 ApJ ,728, 35(arXiv:1008.3506)]; 另一個工作(arXiv:1012.0444)正在回復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工作，可以說是國際上最前沿的問題，就是利用哈勃參量數據對宇宙學模型進行限制。在我們做這項工作之前，美國有一個小組，通過利用星系的年齡而得到的數據，對標量場的勢進行了限制，但是他們沒有把這批數據用在宇宙學參量的限制上。宇宙學參量就是指宇宙中物質占多少暗能量占多少等數據情況，我們是國際上第一個把這批數據應用在宇宙學參量限制上的科研團組，現在國際上很多這方面的研究同行都在關注我們的這項工作的成果，所以引用率很高。目前我也正被邀請寫一篇關于這方面研究的綜述性文章(arXiv:1010.1307)，很快也會在美國Advance in Astronomy上發表。另外，我和研究生馬驄在這方面做了更加深入的工作，即對這批數據做了一個模擬，研究模擬出的數據在將來對宇宙學參量的限制能力。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)]發表。

這兩方面工作近幾年在國際上是很有影響的，目前項目進展狀況良好。第一個項目是我帶著幾個碩士生在做，而且和加拿大理論天體物理研究所、美國亞利桑那大學物理系的天體物理學家進行合作，進展非常順利，第一項工作結束之后馬上還會有一系列的工作緊接著進行。現在我們把小波技術應用在大尺度結構形成過程中的信息損失降低上，可以說開創了一種新的研究方法，我們還設想把它運用到天體物理結構形成的各個領域中，比如引力透鏡等方面。這個項目雖然只是一個開端，但是已經得到了國際的公認，論文還沒有發表就已經被引用了。關于第二個項目，因為現在哈勃參量的觀測數據還不多，將來會越來越多，所以前途更是不可限量。至于我們對這些數據所進行的模擬所呈現出的對宇宙學的參量的限制能力會有怎樣的效應，隨著未來對宇宙觀測的更深入，數據的增加，我們的工作會得到進一步的驗證。

記者：關于宇宙運行的周期，發展變化規律，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”，您對這方面有什么樣的看法？未來的宇宙將有怎么樣的變化發展？

張同杰：人們對它的關注是有原因的，最近幾年自然災難很多，海嘯、火山、地震等頻繁發生，人類去思考這些問題很正常。環境污染是上百年造成的，從英國的工業革命開始，各種污染成倍增加（詳細數據參見美國能源部長華裔美國物理學家諾貝爾獎獲得者朱棣文訪華期間的演講），雖然現在生活水平大大提高了，但這是建立在高耗能、高污染的基礎上的。最近大量的自然災害，與人類對地球肆無忌憚地開采、掠奪是有關系的。人們看問題，更應該從歷史角度，不應該從迷信和渲染的角度去看問題。關于“2012”的問題，我在美國的時候，很多宗教人士的觀點都不盡相同，他們是從圣經的角度談世界末日，同樣信仰基督教的人之間的觀點也是有矛盾的。當然我是從科學的角度思考問題，我們天體物理學家是不相信世界末日的。我認識一個著名的宇宙學家，他曾經計算過“世界末日”，也就是地球被毀滅的概率。他使用的是科學的方法，考慮了各種因素，比如地球上大的自然災害，小行星撞擊地球或者附近超新星爆發后噴射的物質流掃過地球并對地球產生威脅等因素。他經過計算，得出了：在未來10億年之內，地球被毀滅的概率是很小的，當然不排除地球上大量能源的耗費，大量的污染對生態的破壞和對地球局部的破壞，但綜合幾個重要的因素來看，他的推算是沒什么問題的，這篇文章發表在Nature雜志上。“2012”的預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，但所謂的預言是沒有什么科學依據的，從天文學角度來看，這是不可能發生的。

記者：我們從您的經歷中了解到，您走訪過很多個國家的研究機構和高校，您在學術交流中有什么樣的心得和體會？

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和研究所，與國際知名天體物理學家進行討論合作研究，深感國外研究機構學術管理的合理性和學術氛圍的科學性。當然，這與西方文化本身的特點有著密切關系，而國內學者的生活和工作習慣以及東方文化本身一些特點也是導致國內學術氛圍差的重要因素。尤其是國內學術評價和管理以及各級教育理念和模式存在嚴重的不合理性，因而不能與國際先進機制接軌，導致國內學者急功近利，沒有辦法也不愿去做那些耗時長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現。這也是國內學者很難做出開創性研究成果的重要原因，這也許可以部分回答“錢學森之問”。

我2002至2003年作為國家訪問學者訪問了多倫多大學加拿大天體物理研究所，多倫多大學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師做研究。在五年的博士生學習中，學生在前兩年要換幾個方向，跟不同的導師做研究。在最后兩至三年之中確定一個大的研究方向。另外，加拿大和美國的暑期很長，有3個月，政府會在暑期資助本科生到大學和研究所跟教授做研究，即暑期學生（summer student）。這樣的機制能夠較早地讓本科生進入科研領域。在2005年至2006年，我獲世界實驗室資助前往美國亞利桑那大學物理系進行博士后研究。亞利桑那大學天文系每天上午10點的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術問題，也可談學術之外的問題。這樣的交流大大增強了研究生與教授之間的溝通。回國后我也在指導研究生過程中特別注意培養學生研究的廣度和深度，在一個研究領域進行不同方向的研究。我的研究生除了跟我作研究外，還要到其他大學和研究機構和國外其他導師合作研究。這樣大大開闊了學生的研究面，已經取得了很好的效果。

記者：現在您作為導師，在對學生的培養方面有什么樣方法和特色？

張同杰：我現在帶了六個研究生，其中有兩個博士，四個碩士。在我看來，博士生的指導可以放開些，只需限定具體的科研方向即可，讓其自己探索，發現科學的想法。碩士生的指導和博士生相比，需要更加的具體化，細致化。因為本科生還沒有完成他們自己學習階段的基礎課程，也沒有研究生的理論基礎和科研訓練，所以我采取了不同的指導方法。首先，篩選出的本科生的學習基礎應該是扎實的，在學業上應該是有余力的，對這些學生可以進行科研訓練挖掘他們的科研潛力。當然也有一些對科研非常有興趣但成績稍差的學生，不要壓制他們的積極性，在兼顧他們功課學習情況適當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團隊有機結合在一起，根據學生的特點分配不同的任務，他們之間相互協作、相互指導，形成一個合作群體，效率很高。我在本科生科研方面的成績已經引起國內研究同行，高等院校管理者和媒體的廣泛關注。

古希臘第一位哲學家泰勒斯號稱“科學之祖”，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，掉進泥坑，后被人救起。第二天果然下了雨。有人譏笑哲學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：“一個民族只有擁有那些關注天空的人，這個民族才有希望。如果一個民族只是關心眼下腳下的事情，這個民族是沒有未來的。”哲學如此，科學亦如此。

張同杰采訪中也提到了溫總理的這首“仰望星空”。“我們所研究的項目都是學科上比較前沿的問題，前景都是非常好的，”他這樣說，“但是，同時我們也要腳踏實地，克服受體制影響所形成的浮躁風氣。”

這就是踏實努力、碩果累累的張同杰教授和他的科研團隊，他們正用實際行動譜寫著青春，詮釋著夢想。

專家檔案：張同杰，現任北京師范大學天文系天體物理教研室主任，教授，博士生導師。1999年7月獲得中國科學院上海天文臺天體物理博士學位。張同杰教授長期在一線從事天體物理和宇宙學的研究，除在北京師范大學任職外，同時還擔任北京大學高能物理研究中心青年學者(PUCHEP Fellow)，中國天文學會會員，北京天文學會會員，國際天文聯合會（IAU）宇宙學分會會員等。主持完成國家自然科學基金項目——利用弱引力透鏡限制宇宙學模型，國家教育部新世紀優秀人才計劃項目——引力透鏡宇宙學研究，主持在研國家教育部自主科研基金項目——宇宙大尺度結構與暗能量研究。