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李惕碚:科学路上的“少数派”

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(原标题:李惕碚:科学路上的“少数派”)

  李惕碚(中科院高能所供图)

新华社北京6月19日电(记者全晓书、喻菲、屈婷)他头发半白,身材瘦削,骨子里却常常要和西方主流的学术观点“唱唱反调”;他言语温和,常常爱笑,自己也觉得奇怪学生们为什么对他个个言怕;他衣着朴素,骑着一辆破旧的自行车在校园里穿梭,脑袋里却思考着宇宙起源和结局这样的大问题……

他就是中国科学院院士、中科院高能物理研究所研究员、清华大学教授李惕碚,中国首颗X射线天文卫星“慧眼”背后的“灵魂人物”。

“慧眼”全称硬X射线调制望远镜卫星(简称HXMT),于15日发射升空。为了这颗卫星能够立项,李惕碚奔走呼吁长达近20年。他的心中装着中国自然科学发展的大图景、大目标,这注定是一条不平坦的道路。

哲学的启发

生于1939年的李惕碚,还在小学时,就被马克思主义哲学迷住了。

新中国成立之初,全社会都在普及马克思主义。一本名叫《学习》的杂志逐期介绍了马克思主义的启蒙读物《社会发展简史》,10来岁的李惕碚一下就被吸引住了:“原来人类社会的不同阶段都可以用科学理论来解释,这简直不可思议!”

少年时代的震撼让这位科学家永生难忘。就是从那一刻起,哲学的种子在他心中深深扎根,成为他漫长而曲折的科学研究之路上的一种指引。

中学时代,李惕碚被量子力学中的哲学争论所吸引,决定考大学时一定要学物理系。高中快毕业时,清华大学的工程物理系刚开办,主攻原子能科学技术,李惕碚义无反顾地选择了这个系:“第一,研究原子能,量子力学是基础,满足了我对前沿物理和哲学的双重兴趣;第二,当时以为可以去造原子弹,为中国人争气。”

1957年,李惕碚步入了梦寐以求的清华校园。然而,“三年困难时期”也接踵而至。为了理解复杂的社会现实,李惕碚花了大量的时间阅读哲学经典。

就在这段时间,李惕碚接触到影响他一生的书——列宁的《哲学笔记》。“这本书对我震动非常大。我也在读黑格尔、康德,但是列宁学习的方法跟我完全不一样。他在书上画了很多符号,有时写上 胡说 ,有时批注 很好 ,完全是在和作者进行平等的交流和争论。后来,我也学他的方法,在书上做笔记、画符号,叉呀钩呀惊叹号呀,我也用这个方法来学习物理。”

这也造就了李惕碚之后数十年科学研究的风格。他从不迷信任何学术观点,反而总是想要“挑挑毛病”。事实上,他的很多科研成果都是建立在挑战前人结论的基础上。例如在1980年代建立了银河伽马射线的统计模型,首次给出银河宇宙线产生高能伽马射线的定量估计,并指出国际普遍接受的2CG星表所发现的宇宙伽马射线点源约有一半是不真实的,经过多年的争论后,这一模型的正确性才被观测证实。

“我总想做一点新的东西,特别是做出跟西方主流不一样的东西。尤其是在长期的争论之后,最后证明我对了,这是特别让人愉快的事情。”李惕碚说。

发现新“大陆”

1963年从清华工程物理系毕业时,李惕碚被分配到原子能研究所云南高山宇宙线观测站,就此走上了基础研究的道路。

1980年,他到英国做访问学者,在那里第一次有机会接触到前沿的数据。从英国回来后,李惕碚开始认真思考,如何让中国在高能天体物理领域赶超世界前沿。

在他的推动下,中科院高能所开始尝试用高空气球搭载硬X射线探测器,到大气层之上进行观测。“美国一个气球上的硬X射线仪器要花几百万甚至上千万美元,而我们的球载探测器作为科学院的重点项目,也只获得几十万人民币的支持,怎么去和美国比?”李惕碚指出,在硬X射线这个波段天体观测成像尤为困难,这是造成探测器代价昂贵的主要原因。“硬件做不起,中国人想都不要想,这就逼着我们去创造新的成像方法。”

于是,李惕碚和自己在科学道路上多年的老搭档吴枚研究员一起,着手在数据处理方程的海洋中开辟新的航道,想利用现有的不能成像的仪器来实现成像。“我俩差不多在同样的思路上前进,整条思路都是我们互相讨论、互相补充形成的。”李惕碚说。

1992年,李惕碚和吴枚正式建立了直接解调方法。与西方在上世纪70年代发展起来的复杂和昂贵的编码孔径成像技术相比,这种方法利用技术成熟、造价便宜的准直探测器(非成像探测器)的扫描数据,就可以实现高灵敏度和高分辨率的成像,技术优势十分明显。

1993年,李惕碚提出了基于直接解调方法的硬X射线调制望远镜的设想。这是一个“野心勃勃”的空间科学计划:完成人类首次硬X射线成像巡天,发现大批黑洞,深入研究中子星和黑洞强引力场中的动力学和高能辐射过程。如果及时实现,中国将在一个重要的基础科学前沿实现跨越式发展。

  从左至右:钱三强、陆柱国、何泽慧、李惕碚。(中科院高能所供图)

HXMT卫星在2011年正式立项,之后历经5年艰辛,最终研制成功。虽然已从研制工作一线退下,李惕碚谈到发射上天时,连说自己很紧张,“就像当年放气球一样,每一次发射之前都很紧张。”

随着国外硬X射线望远镜陆续升空,HXMT卫星失去了很多新发现的机遇,但是李惕碚对这颗卫星仍然寄予很大的期待:“它还是建立在直接解调的新方法的基础上,而且比起当年的设计,功能大大扩张了,目前是这个领域里能量范围最宽、分辨率最好的望远镜,很有希望获得重要的结果。”

严师益友

在争取HXMT立项的过程中,围绕这颗卫星的需要,许多李惕碚的学生先后被派遣出国学习、交流、取经,他们回国后分别承担起卫星各个关键部分的设计和研制重任。这一点也让他倍感欣慰:“在这么长的研制过程中,一支非常好的技术和科学队伍成长起来了。”

不过,这个团队里几乎每一位他的学生,提到“李老师”,第一个反应就是“害怕”。

“我们怕他,主要是觉得自己不如老师勤奋努力,在他面前感到惭愧。”HXMT卫星有效载荷总设计师卢方军说。

“他那么大年纪了,平常走得比你还晚,事情做得比你还快,大年初一一个人就跑到办公室开始工作了,你说你压力大不大?”HXMT卫星地面应用系统副总设计师宋黎明谈到严师,不由回想起一则往事,“有一次讨论,我说,目前在数据分析这个领域,我们可能是国内做得最好的。他马上把我批评了一通,认为把眼光放在国内标准太低了,要到国际上去争第一。他对我们要求非常高,不允许我们有半点骄傲。”

  李惕碚院士在清华大学接受新华社记者专访。(新华社记者屈婷摄)

李惕碚对此也有所耳闻。“可能,我和他们除了谈天文谈物理,很少闲扯,显得不太平易近人吧。有一次,我问一个学生关于她的一个同学的婚恋传闻,结果惹得那个学生惊呼: 李老师,你也关心这种八卦呀? 好像我完全不食人间烟火似的。”

李惕碚和老搭档吴枚常常因为学术问题上的分歧,吵得不可开交,隔着几间办公室都能听到。虽然争论起来互不相让,但在吴枚看来,李惕碚是一个深刻的人。“他像很多大物理学家一样,在方程还没有解出来的时候,就能洞见到结果大概是什么样子,这就叫深刻。”

吴枚不爱听学术报告,而李惕碚听完后,三言两语对吴枚一讲,就能把他的注意力吸引过来。“他能从纷繁复杂、众说纷纭之中找到要害,并知道从哪里突破。这就好比在地里刨白薯,他等于是把白薯刨出来、洗干净,搁在我面前,我当然一看就知道这是好东西。”吴枚说,“我们合作得多,很多东西都是受他的启发。”

更大胆的挑战

HXMT卫星团队出色地担负起工程组织、望远镜研制和科学系统建设任务,这也使李惕碚在最近十余年有机会腾出手来跟踪宇宙学的进展。

2003年,美国探测宇宙微波背景辐射的卫星WMAP发布了宇宙组份:暗能量73%、暗物质23%、普通物质4%。当学界为宇宙学从此成为“精确科学”而欢欣鼓舞时,李惕碚则根据多年实验观测工作的经验,发现其中存在系统误差。在重新分析了WMAP的原始数据后,李惕碚于2009年公布了新的结果:暗能量68%、暗物质27%、普通物质5%。然而,挑战权威的代价是,这个结果在国内外专业刊物上都发表不了,只能放到网上。2013年3月,欧空局宣布了性能远高于WMAP的微波背景卫星Planck得到的宇宙组份:暗能量68.3%、暗物质26.8%、普通物质4.9%,与李惕碚组的结果几乎完全相同。

李惕碚说:“从WMAP和Planck的数据,我们还得到了一个更重要的结果:微波背景温度分布的四极矩在误差范围内为零,它表明极早期宇宙几乎不存在温度和密度涨落。这不但与建立在广义相对论基础上的大爆炸宇宙学不相容,也完全违背了量子场论对于真空涨落的预期。”

这一次,李惕碚要挑战的是以爱因斯坦、霍金为代表人物的宇宙学标准模型。在这个深入人心的主流模型中,宇宙诞生于一次大爆炸,将在不断地加速膨胀中最终走向大撕裂。“爱因斯坦在提出广义相对论的时候,只知道有物质,不知道有暗能量,整个宇宙只有相互吸引的力,没有相互排斥的力,所以他创造的广义相对论的引力理论适用于黑洞这样的天体系统,却不能用于描述宇宙。”

经过数年的酝酿,对于宇宙的构成、起源、演化及归属问题,李惕碚给出了完全不同的回答。不过,他指出,这种新的模型是否正确,还需要天文观测来检验,按照现在的发展态势,五到十年之内应当可以判定谁是谁非。

人类实现“超越爱因斯坦”的目标需要持续的努力。“在中国,从发展高空气球到发射空间天文卫星,这个过程汇聚了两代人近40年的努力。现在,通过HXMT项目成长起来的研制和科学队伍,以及他们取得的空间探测器国产化的优异成绩,也是我们实现最终的科学目标的可贵基础。”李惕碚说。

(原标题:李惕碚:科学路上的“少数派”)

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