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        擁抱第4種物質(zhì)形態(tài)

        2017-07-06 10:20:29李曉文
        科學(xué)中國(guó)人 2017年5期
        關(guān)鍵詞:東華大學(xué)等離子體空間站

        李曉文

        以人類現(xiàn)有的科技水平來說,要想在茫茫的宇宙中長(zhǎng)期生活、工作,必須依賴于空間站——一種在近地軌道長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的載人航天器。而在航天員“歇息”的時(shí)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(shí)驗(yàn)就沒有停止過。自前蘇聯(lián)1971年發(fā)射了人類歷史上首個(gè)空間站“禮炮一號(hào)”之后,空間站上的科學(xué)實(shí)驗(yàn)一直在進(jìn)行。

        我國(guó)預(yù)計(jì)會(huì)在2020年左右建成空間站,而這個(gè)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(chéng)然,就是其中的一員。他說:“我國(guó)的空間站將成為空間科學(xué)和多種新技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)的重要基地,希望有機(jī)會(huì)能在空間站微重力環(huán)境下進(jìn)行復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)?!?/p>

        關(guān)于復(fù)雜等離子體,杜誠(chéng)然做了一個(gè)簡(jiǎn)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(duì)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?cè)诘入x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)??梢哉f,復(fù)雜等離子體系統(tǒng)將各個(gè)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(duì)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(chéng)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(chéng)然被學(xué)校選中,去新加坡國(guó)立大學(xué)進(jìn)行一個(gè)學(xué)期的交換學(xué)習(xí)。在新加坡的一個(gè)學(xué)期,杜誠(chéng)然進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)室,開始接觸實(shí)驗(yàn)研究。隨后,他又公費(fèi)去德國(guó)的薩爾布呂肯大學(xué)交換了一學(xué)期,這一次,他學(xué)會(huì)了德語(yǔ)。在德國(guó)交換期間,杜誠(chéng)然也和在新加坡時(shí)一樣,在實(shí)驗(yàn)室工作過一段時(shí)間。這兩個(gè)學(xué)期的交換生生涯讓杜誠(chéng)然見識(shí)到了國(guó)外的科研氛圍,看到了與國(guó)內(nèi)不同的科研與教學(xué)方式,他認(rèn)識(shí)到,這個(gè)時(shí)候國(guó)外的科研和教學(xué)環(huán)境要優(yōu)于國(guó)內(nèi)。因此,本科畢業(yè)后,杜誠(chéng)然決定去德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)繼續(xù)深造。

        “可能是因?yàn)橹霸诘聡?guó)做過交換生,德語(yǔ)也還熟練,所以我在學(xué)校融入得很快,一個(gè)月的時(shí)間,我已經(jīng)能在感興趣的實(shí)驗(yàn)室里做一些簡(jiǎn)單的工作?!倍耪\(chéng)然說:“我對(duì)選擇科研方向特別謹(jǐn)慎,先后在3個(gè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐之后,我才最終決定了研究方向——在德國(guó)馬普學(xué)會(huì)地外物理研究所研究復(fù)雜等離子體?!?/p>

        研究生期間,杜誠(chéng)然所做的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jí)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(guó)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(chéng)然通過實(shí)驗(yàn)研究塵埃聲波與帶電微粒的相互作用,在國(guó)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(shì)從而實(shí)現(xiàn)大尺寸顆粒的凝結(jié),并開創(chuàng)性地使用長(zhǎng)距顯微鏡直接觀測(cè)懸浮于等離子體中的凝結(jié)體的結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表于PhysPlasmas上,文章被多次引用。

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

        對(duì)于初涉科研之路的杜誠(chéng)然來說,這是很高的評(píng)價(jià)了。而這些,當(dāng)時(shí)的他并不知道。“這是我研究生時(shí)候做的第一個(gè)實(shí)驗(yàn),當(dāng)時(shí)對(duì)自己的成果根本沒有清醒的認(rèn)識(shí),真的沒想到會(huì)有這么大的反響?!倍耪\(chéng)然誠(chéng)說道。

        “微重力”帶來“大成果”

        這個(gè)實(shí)驗(yàn)給杜誠(chéng)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(chéng)然開始參與第三代國(guó)際空間站復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室PK-3Plus的工作,負(fù)責(zé)后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析工作。

        在分析這些數(shù)據(jù)的時(shí)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(guó)際上尚屬首次。他說:“在分析這種在空間或時(shí)間上具有某種規(guī)律性的非均勻宏觀結(jié)構(gòu)時(shí),我通過將空間站中的微重力實(shí)驗(yàn)與地面實(shí)驗(yàn)室中的高分辨率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及使用GPU并行計(jì)算技術(shù)獲得的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)了非相加性對(duì)于‘行結(jié)構(gòu)的形成過程有著重要的影響?!标P(guān)于這一實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究結(jié)果最后發(fā)表于EurophysLett.等國(guó)際期刊上,其中,在New JPhys上發(fā)表的綜述論文被英國(guó)物理協(xié)會(huì)IOP選為“Hightlight of 2012”。

        杜誠(chéng)然介紹,在國(guó)際空間站上復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室PK-3 Plus上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是德國(guó)和俄羅斯兩國(guó)的合作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,每次任務(wù)前都由兩國(guó)科學(xué)家討論決定具體的實(shí)驗(yàn)方案并上傳到國(guó)際空間站。實(shí)驗(yàn)期間,兩國(guó)科學(xué)家在莫斯科近郊科羅廖夫的國(guó)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(shí)驗(yàn)。任務(wù)結(jié)束后,所儲(chǔ)存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被宇航員帶回地面并送往馬普學(xué)會(huì)和俄羅斯高溫聯(lián)合研究所進(jìn)行分析。杜誠(chéng)然說:“整個(gè)流程是非常復(fù)雜的,牽涉到多個(gè)方面,而在多年的前期工作之下,才最終產(chǎn)生了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而我只是在分析這些數(shù)據(jù)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了這一成果,嚴(yán)格意義上來說不敢居功。”

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

        2014年,在馬普學(xué)會(huì)地外物理研究所工作的杜誠(chéng)然決定回國(guó)?!斑@不僅是因?yàn)榧胰嗽趪?guó)內(nèi),也是因?yàn)槲覈?guó)空間站微重力環(huán)境下的自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究剛剛起步。我希望自己在這方面的經(jīng)驗(yàn)可以提供一些思路和想法,做一點(diǎn)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(chéng)然作為科學(xué)專家組成員參與實(shí)驗(yàn)規(guī)劃及數(shù)據(jù)分析,并參與下一代國(guó)際空間站復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室PlasmaLab的硬件開發(fā)和測(cè)試(包括拋物線飛行微重力測(cè)試)。在我國(guó)空間站行將建成之時(shí),杜誠(chéng)然的經(jīng)歷彌足珍貴,將為我國(guó)建造復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室乃至為我國(guó)復(fù)雜等離子的發(fā)展提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

        在國(guó)外的這些年,杜誠(chéng)然的學(xué)習(xí)、工作方式或多或少的被“同化”。他說:“本科的時(shí)候我經(jīng)常一個(gè)人學(xué)習(xí)到晚上十一二點(diǎn)。剛?cè)サ聡?guó)的時(shí)候,我覺得那里的人很‘不務(wù)正業(yè),經(jīng)常聚在一起閑聊?!倍耪\(chéng)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(gè)人窩在屋里做研究更有效率。因此回國(guó)之后我也不像以前一樣喜歡一個(gè)人加班加點(diǎn),反而更喜歡出去跑步、做做運(yùn)動(dòng),花更多的時(shí)間與同事及學(xué)生討論問題。”

        作為一個(gè)上海人,杜誠(chéng)然在回國(guó)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(gè)非常好的特點(diǎn),就是它可以包容在短期內(nèi)難以取得結(jié)果的研究,鼓勵(lì)需要大量時(shí)間積累的基礎(chǔ)性研究。我覺得這個(gè)真的很好,對(duì)我來說很重要?!?/p>

        在東華大學(xué),杜誠(chéng)然帶著5個(gè)研究生。對(duì)待學(xué)生,杜誠(chéng)然鼓勵(lì)他們獨(dú)立思考?!爱?dāng)我們出現(xiàn)分歧的時(shí)候,他們經(jīng)常提出不同的觀點(diǎn),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(diǎn),而更應(yīng)該是有深度的思考?!倍耪\(chéng)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(duì)于杜誠(chéng)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(dòng)力學(xué)過程的研究。這項(xiàng)研究杜誠(chéng)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,Rey,Lett。

        除此之外,最令杜誠(chéng)然掛心的當(dāng)屬2020年將要建成的中國(guó)空間站了。在空間站建成之前,他會(huì)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(huì)在空間站上進(jìn)行復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)”

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