常进
■文 | 章剑华
趁着常进回宁的机会,终于约到了采访的时间。他现任国家天文台台长,而他的实验室还在紫台,有时会回来做他的科研工作。见面后,没有客套,直接采访。他说,我重点讲几点,一是科学研究要有科学精神,二是搞科研要善于合作包括国际合作,三是要特别用好年轻人。他的谈话简明扼要,闪耀着思想的火花。这火花,是否会照亮躲在暗处的暗物质呢?
(一)
壬寅金秋,党的二十大在北京胜利召开。
在党的二十大上,中国科学院院士、中国科学院国家天文台台长常进当选为中央候补委员。前不久,中央又任命他兼任中国科学院副院长。
他还有一个重要身份——“悟空号”暗物质粒子探测卫星首席科学家。
“必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力……”作为一名科学家,常进在人民大会堂亲耳聆听二十大报告中关于科技创新的最新论述,心情格外激动,也倍受鼓舞与激励。
二十大召开前夕,他听取了“悟空”团队关于“悟空号”探测数据分析的汇报。令他高兴的是,团队科研人员基于“悟空”数据,新近绘制出迄今能段最高的硼/碳、硼/氧宇宙射线粒子比能谱,并发现能谱新结构,意味着经典宇宙线传播模型或需进一步修正。
这很有价值!常进敏锐地意识到,这是“悟空号”首次对宇宙线中的次级/原初粒子比例进行精确测量,这项研究可能帮助人类更精确地寻找暗物质。
常进立即要求向外公布这一极有价值的新成果,与国内外天文界共享。
就在二十大召开的前两天,“悟空号”国际合作组,利用卫星观测数据分析得到的精确测量结果及其最新研究成果,于2022年10月14日在线发表于我国综合类学术期刊《科学通报》上,在天文界引起热烈反响。
在此前的六年观测中,“悟空号”共记录了超过350万个碳、氧、硼原子核数据,科研人员据此取得了一批科学成果,都已对外公布,获得国内外天文界的广泛关注和高度肯定。
如今,“悟空号”正巡游在浩瀚的太空,用它的火眼金睛寻找着人类从未“看”到的“暗物质”。
人们好奇:“悟空号”的火眼金睛究竟有多厉害?
(二)
那还要从“两朵令人不安的乌云”说起。
1900年,在英国皇家学会的新年庆祝会上,著名物理学家开尔文勋爵作了展望新世纪的发言:科学的大厦已经基本完成,后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。但是,在物理学晴朗天空的远处,还有两朵令人不安的乌云。
这两朵乌云是指什么呢?
一朵与黑体辐射有关,另一朵与迈克尔逊实验有关。
时隔不到一年——1900年底,就从第一朵乌云中降生了量子论。紧接着,1905年又从第二朵乌云中降生了相对论。
于是,经典物理学的大厦被彻底动摇,物理学发展到了一个更为辽阔的领域。可是,物理学的天空并不是万里无云。像20世纪初一样,21世纪初的物理学天空又出现了两朵乌云:暗物质和暗能量。
而且,这两朵乌云并没有像20世纪的两朵乌云那样,很快被拨开云雾见太阳,至今还在物理学的天空游荡。
全世界的许多科学家都在努力,试图揭开这两朵乌云的秘密。常进就是其中的一位。
常进1966年出生在江苏省泰兴市河失镇常家庄。常进是家中长子,家里有兄弟4人。父亲对常进特别寄予希望,常常对入学后的常进说,你要好好上学,用心读书,争取将来上个大学。
常进就读于乡下学校。虽然学习条件很差,但常进学习非常认真刻苦。初中毕业后,他参加中考,凭着自己的勤奋,考上了全县最好的高中——江苏省姜堰中学。在这里,他遇到了一位名牌大学毕业的物理老师,渊博的知识、生动的讲解、有趣的实验,一下子把常进吸引住了,使他对物理产生了浓厚的兴趣。
一次,物理老师在课堂上说,世界上还有许多人类至今没有认识到的不知道的东西。我前不久在一本书上看到,早在1922年,有位名叫卡普坦的天文学家就曾提出,整个宇宙中还有一种不是物质的物质存在,权且称之为暗物质,而且,物质只占宇宙的5%,而95%都是暗物质。
同学们面面相觑,难以理解。
老师接着说,关于暗物质,现在还只是一个概念,我也说不清道不明,相信总有一天,有人会打开一扇新的窗户,去揭开宇宙里更多的秘密。
与同学们一样,常进听得懵里懵懂,但他从此知道并记住了暗物质这个词,也因此对这个世界更加充满了好奇与憧憬。
高中毕业,常进如愿以偿地拿到了中国科技大学的入学通知书,成为物理系的一名新生。
当年,中国科技大学物理系的研究方向主要分为两个:一个是核物理,主要研究原子核的结构和变化规律;另一个是高能物理,主要研究比原子核更深层次的微观物质世界。
常进毫不犹豫,一下子看上了高能物理。因为这是一门以发现和实验为基础的前沿学科,这正切合他性格中沉稳和专注的一面,而且他特别喜欢做实验。
他的导师许咨宗教授很快发现常进在做实验上的兴趣与天赋——既有想法又有很强的动手能力,就给他安排了较多的实验机会。
当时物理系的实验设备非常陈旧与简陋,有些早已被西方同行所淘汰。许教授带着学生在这些旧设备上做各种实验,并告诫说,这些设备虽然简陋陈旧,但并不是不能做实验,而且可以想尽各种办法,在旧设备上摸索出新的功能。
导师的话对常进启发很大。他一丝不苟地在这些老旧设备上做着各种实验,并想方设法采用新方法,发掘新功能,用他的话来说,让老树发出新芽。当然,这并非易事。当时,许教授与常进一起,尝试测量一种新的反射晶体的衰减时间,这在世界上还是先例,难度相当大,因为这种新的反射晶体衰减时间不到1纳秒。要用简陋的设备捕捉到转瞬即逝的东西,既要有科研上的创造性,还要有不怕失败的勇气与耐心。
(三)
中国改革开放进入了一个关键时期。
1992年1月18日至2月21日,中国改革开放的总设计师邓小平,先后到武昌、深圳、珠海、上海等地视察,并发表了一系列重要讲话,为中国的改革开放加油打气。
正是在这科学的春天里,硕士毕业的常进,被分配到地处南京的中国科学院紫金山天文台天文物理所工作。但常进很快发现,紫台与大学一样,缺少科研经费,没有先进仪器,既无法做前沿实验,也难以开展科技工作。
当时,台里试图研制一颗天文卫星,也让他一起参与,却因科研经费不足只能下马,但台里的领导和科技人员并没有泄气,更没有放弃,都在利用有限的条件默默无闻、持之以恒地工作着。这对常进是一种无声的教育。他暂时放下目前的研究实验,一头扎进台里的图书馆,在这里先做前沿的瞭望观察,把西方高能物理论文看了个遍,并掌握了大量相关的最新动态与信息。他惊讶地发现,由于长期脱离与世界前沿的学术交流,国内的许多研究思路落伍了,研究方向偏差了。
于是,常进萌发了弯道超车的想法:不能跟在外国人后面走,我们必须找到一个新的方向,掌握独门秘诀、独门武器,这样才有可能赶上和超过世界先进水平。
搞什么呢?高中时在他心里埋下的一颗种子,在沉寂了多年之后,开始发芽了。这颗种子就是——暗物质。
暗物质,最早是在1922年由荷兰天文学家卡普坦提出。1933年,天体物理学家兹威基利用光谱红移测量,发现星系团中星系的速度弥散度太高,而仅靠星系团中可见星系的质量产生的引力,是无法将其束缚在星系团内的。因此他得出结论,星系团中应该存在大量的暗物质,其质量为可见星系的至少百倍以上。
不过,这一突破性的概念,因难以证实,所以在当时未能引起学术界的重视。至20世纪80年代,出现了一大批支持暗物质存在的新观测数据,存在暗物质这一理论逐渐被天文学和宇宙学界广泛认可。但是,不管国外还是国内,科学家们都只是在理论上论证了暗物质的存在,并未真正找到它存在的直接证据。
20世纪60年代以来,与暗物质相关的研究,获得了18次诺贝尔物理学奖。但这些研究的理论成果,只能解释宇宙中的物质不到5%,而对剩下的95%还是一无所知。
常进敏锐地意识到,寻找暗物质是一个绝佳的研究方向。他知道,寻找暗物质是近30年来国际粒子物理实验的热点之一,主要通过三类实验来寻找:
第一类实验,是在超高能对撞机上产生暗物质候选粒子。第二类实验,“上天”寻找暗物质。第三类实验,“入地”寻找暗物质。实际上,这三类实验即便发现了暗物质的候选粒子,但是确认它就是宇宙中的暗物质也是一项极为艰巨的任务。
就在这一时期,国家加大对航天领域的投入,成功发射了多颗卫星。紫台研制的一台小型天文观测器搭载在卫星上,到天上去观测,获得了大量的太阳耀斑数据,效果非常显著。这个项目是我国第一次将空间设备送到天上去,观测天体的高能辐射。常进参与了这个项目,强烈地感觉到,跟在外国人后面干,要赶上他们难度很大。他准备开辟一条新的道路。
常进的研究重点放在了高能电子和高能伽马射线的观测方法上。说来也巧,在1997年,常进偶然听闻美国要在南极开展ATIC气球探空项目,也就是放气球到天上去观测高能宇宙线。常进感觉机会来了。他知道,除了研究宇宙射线,这个项目还能用来寻找暗物质——基于高能物理的理论,当暗物质相互碰撞时,也能产生高能宇宙射线。
这需要把符合条件的粒子从规模庞大的宇宙射线里面挑出来,如果采用传统的方法,需要重达四五吨的昂贵探测器才有可能实现。不过,常进发明出一种新方法,用便宜、较轻薄的仪器,比如美国人的气球实验所用的探测器。
初生牛犊不怕虎。年轻的常进直接发电子邮件给美国ATIC项目首席科学家,提出用自己的方法合作研究,并一步一步争取,从最基础的参数算给他们,不断地发邮件反复说明。后来美国人有点相信了,便让他到美国去跟他们谈,当面沟通。
常进到了美国就被直接送进实验室,那里好多人正在讨论他的方法。美方心存疑虑,要求他在计算机上将他的想法从头到尾演示一遍。常进全神贯注从零开始,整整连续用了36个小时,把各种参数计算出来,与他们整个团队得到的参数基本一致。
美国同行大受震撼。后来,美国人再把这个探测器拉到瑞士那边的加速器上,用加速器的高能粒子来模拟天上的宇宙射线。实验时,又把常进叫了过去,当天给数据,竟然要他第二天出结果。常进二话没说,埋头工作近20个小时,拿出了漂亮的答案。
美方决定邀请常进加入ATIC项目组,南极气球实验数据也将交由他分析。
(下转B2版)