本刊記者 李曉文

擁抱第4種物質(zhì)形態(tài)
——記東華大學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)境下進行的科學實驗就沒有停止過。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，空間站上的科學實驗一直在進行。

我國預計會在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家的科研規(guī)劃。東華大學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和多種新技術(shù)研究實驗的重要基地，希望有機會能在空間站微重力環(huán)境下進行復雜等離子體實驗。”

關(guān)于復雜等離子體，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，如果對氣體進一步加熱，使其發(fā)生電離，就能產(chǎn)生等離子體?！拔覀冊诘入x子體中引入宏觀尺度的塵埃顆粒，組成一種更加復雜的混合粒子系統(tǒng)，就形成了復雜等離子體。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，復雜等離子體系統(tǒng)將各個不同的經(jīng)典物理學科（包括等離子體物理、流體力學、凝聚態(tài)物理等）有機地結(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，是從當交換生開始的。

2005年8月，正在上海交通大學讀大三的杜誠然被學校選中，去新加坡國立大學進行一個學期的交換學習。在新加坡的一個學期，杜誠然進入了實驗室，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交換了一學期，這一次，他學會了德語。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)不同的科研與教學方式，他認識到，這個時候國外的科研和教學環(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——在德國馬普學會地外物理研究所研究復雜等離子體。”

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、法國國家科學研究院CNRS等多個科研機構(gòu)的科研團隊所采用，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，當時的他并不知道?！斑@是我研究生時候做的第一個實驗，當時對自己的成果根本沒有清醒的認識，真的沒想到會有這么大的反響?！倍耪\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雜等離子體實驗室PK-3 Plus的工作，負責后期實驗數(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)了一種塵埃顆粒團簇穿越另一塵埃顆粒團簇而導致的“行”形成過程的記憶效應，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?！标P(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，在國際空間站上復雜等離子體實驗室PK-3 Plus上進行的實驗是德國和俄羅斯兩國的合作實驗項目，每次任務前都由兩國科學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會和俄羅斯高溫聯(lián)合研究所進行分析。杜誠然說：“整個流程是非常復雜的，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，嚴格意義上來說不敢居功?！?/p>

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的第四代在軌國際空間站復雜等離子體實驗室PK-4科學裝置的測試開發(fā)，在波爾多參與德國宇航中心(DLR)第20次拋物線實驗任務。

2014年，在馬普學會地外物理研究所工作的杜誠然決定回國?！斑@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。”

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，將為我國建造復雜等離子體實驗室乃至為我國復雜等離子的發(fā)展提供寶貴的經(jīng)驗。

在國外的這些年，杜誠然的學習、工作方式或多或少的被“同化”。他說：“本科的時候我經(jīng)常一個人學習到晚上十一二點。剛?cè)サ聡臅r候，我覺得那里的人很‘不務正業(yè)’，經(jīng)常聚在一起閑聊?！倍耪\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生討論問題?！?/p>

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。他說：“東華大學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?！?/p>

在東華大學，杜誠然帶著5個研究生。對待學生，杜誠然鼓勵他們獨立思考。“當我們出現(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，而更應該是有深度的思考?！倍耪\然說，在帶學生上面他還是新手，還在摸索最適合的方法。

現(xiàn)在，對于杜誠然來說，最要緊的事應該就是關(guān)于二元準二維復雜等離子體的慢動力學過程的研究。這項研究杜誠然已經(jīng)進行了五六年，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會在空間站上進行復雜等離子體實驗”。