擁抱第4種物質(zhì)形態(tài)
——記東華大學(xué)物理系特聘研究員杜誠然

本刊記者 李曉文

擁抱第4種物質(zhì)形態(tài)
——記東華大學(xué)物理系特聘研究員杜誠然

本刊記者 李曉文

杜誠然

以人類現(xiàn)有的科技水平來說，要想在茫茫的宇宙中長期生活、工作，必須依賴于空間站——一種在近地軌道長時間運行的載人航天器。而在航天員“歇息”的時候，一些特定的、需要在空間站“微重力”的環(huán)境下進(jìn)行的科學(xué)實驗就沒有停止過。自前蘇聯(lián)1971年發(fā)射了人類歷史上首個空間站“禮炮一號”之后，空間站上的科學(xué)實驗一直在進(jìn)行。

我國預(yù)計會在2020年左右建成空間站，而這個尚未建成的太空家園承載著許多科學(xué)家的科研規(guī)劃。東華大學(xué)物理系特聘研究員杜誠然，就是其中的一員。他說：“我國的空間站將成為空間科學(xué)和多種新技術(shù)研究實驗的重要基地，希望有機(jī)會能在空間站微重力環(huán)境下進(jìn)行復(fù)雜等離子體實驗。”

關(guān)于復(fù)雜等離子體，杜誠然做了一個簡單的介紹：物質(zhì)在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之外，還有第4種形態(tài)，存在于宇宙空間中，那就是等離子體。通俗地說，如果對氣體進(jìn)一步加熱，使其發(fā)生電離，就能產(chǎn)生等離子體。“我們在等離子體中引入宏觀尺度的塵埃顆粒，組成一種更加復(fù)雜的混合粒子系統(tǒng)，就形成了復(fù)雜等離子體。在微重力環(huán)境下，所形成的系統(tǒng)將更加接近自然界中傳統(tǒng)物質(zhì)的性質(zhì)。可以說，復(fù)雜等離子體系統(tǒng)將各個不同的經(jīng)典物理學(xué)科（包括等離子體物理、流體力學(xué)、凝聚態(tài)物理等）有機(jī)地結(jié)合在了一起，尤其是對于傳統(tǒng)物質(zhì)的基礎(chǔ)研究更有著不可估量的意義。”

兩次交換生開啟科研之路

杜誠然的科研之路，是從當(dāng)交換生開始的。

2005年8月，正在上海交通大學(xué)讀大三的杜誠然被學(xué)校選中，去新加坡國立大學(xué)進(jìn)行一個學(xué)期的交換學(xué)習(xí)。在新加坡的一個學(xué)期，杜誠然進(jìn)入了實驗室，開始接觸實驗研究。隨后，他又公費去德國的薩爾布呂肯大學(xué)交換了一學(xué)期，這一次，他學(xué)會了德語。在德國交換期間，杜誠然也和在新加坡時一樣，在實驗室工作過一段時間。這兩個學(xué)期的交換生生涯讓杜誠然見識到了國外的科研氛圍，看到了與國內(nèi)不同的科研與教學(xué)方式，他認(rèn)識到，這個時候國外的科研和教學(xué)環(huán)境要優(yōu)于國內(nèi)。因此，本科畢業(yè)后，杜誠然決定去德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)繼續(xù)深造。

“可能是因為之前在德國做過交換生，德語也還熟練，所以我在學(xué)校融入得很快，一個月的時間，我已經(jīng)能在感興趣的實驗室里做一些簡單的工作。”杜誠然說：“我對選擇科研方向特別謹(jǐn)慎，先后在3個實驗室實踐之后，我才最終決定了研究方向——在德國馬普學(xué)會地外物理研究所研究復(fù)雜等離子體。”

研究生期間，杜誠然所做的第一個實驗就是關(guān)于復(fù)雜等離子體中微粒凝結(jié)過程的研究。由于微米量級顆粒在等離子體環(huán)境中與電子流和離子流相互作用下能夠帶有極大的電荷，國際上普遍認(rèn)為在等離子環(huán)境中帶同種電荷的顆粒凝結(jié)是不可能的。而杜誠然通過實驗研究塵埃聲波與帶電微粒的相互作用，在國際上首次提出利用自激發(fā)波的方法克服顆粒間的屏蔽排斥相互作用勢從而實現(xiàn)大尺寸顆粒的凝結(jié)，并開創(chuàng)性地使用長距顯微鏡直接觀測懸浮于等離子體中的凝結(jié)體的結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果發(fā)表于Phys.Plasmas上，文章被多次引用。

此方法被美國Baylor大學(xué)、法國國家科學(xué)研究院CNRS等多個科研機(jī)構(gòu)的科研團(tuán)隊所采用，研究結(jié)果對理解宇宙中星體的形成過程有著重要的意義。

對于初涉科研之路的杜誠然來說，這是很高的評價了。而這些，當(dāng)時的他并不知道。“這是我研究生時候做的第一個實驗，當(dāng)時對自己的成果根本沒有清醒的認(rèn)識，真的沒想到會有這么大的反響。”杜誠然誠說道。

“微重力”帶來“大成果”

這個實驗給杜誠然的科研之路上演了一出“開門紅”，也給了他更大的信心。隨后，杜誠然開始參與第三代國際空間站復(fù)雜等離子體實驗室PK-3 Plus的工作，負(fù)責(zé)后期實驗數(shù)據(jù)的分析工作。

在分析這些數(shù)據(jù)的時候，他發(fā)現(xiàn)了一種塵埃顆粒團(tuán)簇穿越另一塵埃顆粒團(tuán)簇而導(dǎo)致的“行”形成過程的記憶效應(yīng)，這在國際上尚屬首次。他說：“在分析這種在空間或時間上具有某種規(guī)律性的非均勻宏觀結(jié)構(gòu)時，我通過將空間站中的微重力實驗與地面實驗室中的高分辨率實驗數(shù)據(jù)以及使用GPU并行計算技術(shù)獲得的模擬計算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)了非相加性對于‘行’結(jié)構(gòu)的形成過程有著重要的影響。”關(guān)于這一實驗的相關(guān)研究結(jié)果最后發(fā)表于Europhys.Lett.等國際期刊上，其中，在New J.Phys.上發(fā)表的綜述論文被英國物理協(xié)會IOP選為“Hightlight of 2012”。

杜誠然介紹，在國際空間站上復(fù)雜等離子體實驗室PK-3 Plus上進(jìn)行的實驗是德國和俄羅斯兩國的合作實驗項目，每次任務(wù)前都由兩國科學(xué)家討論決定具體的實驗方案并上傳到國際空間站。實驗期間，兩國科學(xué)家在莫斯科近郊科羅廖夫的國際空間站控制中心，直接與在軌宇航員一起操作和監(jiān)控實驗。任務(wù)結(jié)束后，所儲存的實驗數(shù)據(jù)被宇航員帶回地面并送往馬普學(xué)會和俄羅斯高溫聯(lián)合研究所進(jìn)行分析。杜誠然說：“整個流程是非常復(fù)雜的，牽涉到多個方面，而在多年的前期工作之下，才最終產(chǎn)生了大量的實驗數(shù)據(jù)。而我只是在分析這些數(shù)據(jù)的時候發(fā)現(xiàn)了這一成果，嚴(yán)格意義上來說不敢居功。”

拋物線微重力實驗

雖然杜誠然不以該成果為傲，但自然有人慧眼識英才。2012年，在PK-3 Plus行將退役之時，杜誠然開始參與由歐洲宇航局主導(dǎo)的第四代在軌國際空間站復(fù)雜等離子體實驗室PK-4科學(xué)裝置的測試開發(fā)，在波爾多參與德國宇航中心(DLR)第20次拋物線實驗任務(wù)。

2014年，在馬普學(xué)會地外物理研究所工作的杜誠然決定回國。“這不僅是因為家人在國內(nèi)，也是因為我國空間站微重力環(huán)境下的自然科學(xué)實驗研究剛剛起步。我希望自己在這方面的經(jīng)驗可以提供一些思路和想法，做一點綿薄的貢獻(xiàn)。”

在2014年成功發(fā)射的PK-4的開發(fā)研究中，杜誠然作為科學(xué)專家組成員參與實驗規(guī)劃及數(shù)據(jù)分析，并參與下一代國際空間站復(fù)雜等離子體實驗室PlasmaLab 的硬件開發(fā)和測試（包括拋物線飛行微重力測試）。在我國空間站行將建成之時，杜誠然的經(jīng)歷彌足珍貴，將為我國建造復(fù)雜等離子體實驗室乃至為我國復(fù)雜等離子的發(fā)展提供寶貴的經(jīng)驗。

在國外的這些年，杜誠然的學(xué)習(xí)、工作方式或多或少的被“同化”。他說：“本科的時候我經(jīng)常一個人學(xué)習(xí)到晚上十一二點。剛?cè)サ聡臅r候，我覺得那里的人很‘不務(wù)正業(yè)’，經(jīng)常聚在一起閑聊。”杜誠然笑笑，繼續(xù)說道：“后來發(fā)現(xiàn)很多科研思路就是在這種討論中展開的，比一個人窩在屋里做研究更有效率。因此回國之后我也不像以前一樣喜歡一個人加班加點，反而更喜歡出去跑步、做做運動，花更多的時間與同事及學(xué)生討論問題。”

作為一個上海人，杜誠然在回國之后首選家鄉(xiāng)，作為特聘研究員加入了東華大學(xué)。他說：“東華大學(xué)有一個非常好的特點，就是它可以包容在短期內(nèi)難以取得結(jié)果的研究，鼓勵需要大量時間積累的基礎(chǔ)性研究。我覺得這個真的很好，對我來說很重要。”

在東華大學(xué)，杜誠然帶著5個研究生。對待學(xué)生，杜誠然鼓勵他們獨立思考。“當(dāng)我們出現(xiàn)分歧的時候，他們經(jīng)常提出不同的觀點，這樣很好。不過他們需要在思考的深度上下功夫，我要的不僅是不同的觀點，而更應(yīng)該是有深度的思考。”杜誠然說，在帶學(xué)生上面他還是新手，還在摸索最適合的方法。

現(xiàn)在，對于杜誠然來說，最要緊的事應(yīng)該就是關(guān)于二元準(zhǔn)二維復(fù)雜等離子體的慢動力學(xué)過程的研究。這項研究杜誠然已經(jīng)進(jìn)行了五六年，現(xiàn)在終于告一段落，研究結(jié)果已投稿Phys.Rev. Lett.。

除此之外，最令杜誠然掛心的當(dāng)屬2020年將要建成的中國空間站了。在空間站建成之前，他會一心專注于重力條件下的基礎(chǔ)研究，“只希望將來能夠有機(jī)會在空間站上進(jìn)行復(fù)雜等離子體實驗”。