文/馬之恒

航行中的星際探測器為何會(huì)突然收不到信號(hào)？為什么運(yùn)行良好的衛(wèi)星會(huì)在太空瞬間燒毀？55 歲的宗秋剛是能給出答案的人。他來自江西南昌向塘鎮(zhèn)的一個(gè)偏遠(yuǎn)農(nóng)村，通過孜孜不倦的努力成為國際空間物理領(lǐng)域最富聲望的專家之一，主要研究方向是磁層物理、空間天氣學(xué)和空間探測。

2020年12月，嫦娥探月計(jì)劃成功取回了月壤；2021年5月，天問一號(hào)探測器順利著陸火星；2022年，中國空間站也在緊鑼密鼓的建設(shè)中……自人類進(jìn)入太空時(shí)代，中國的航天路已走過一個(gè)甲子。

“日月安屬，列星安陳？”古人曾仰望了五千年的蒼穹，在現(xiàn)代科技下不再神秘。從載人航天到空間站建設(shè)，從衛(wèi)星上天到北斗升空，從“嫦娥”探月到“天問”落火。起步至今，我國航天事業(yè)已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化。

不過，同幾十年前一樣，今天的航天器在太空中仍然要面對(duì)嚴(yán)酷的空間環(huán)境。為了讓它們在太空中生存下來，科研團(tuán)隊(duì)需要在發(fā)射之前未雨綢繆，精心考慮大氣層外可能造成致命一擊的所有挑戰(zhàn)。

北大物理學(xué)院大樓里就有一個(gè)并不起眼的實(shí)驗(yàn)室，正在為打造航天器堅(jiān)強(qiáng)的“內(nèi)臟”而努力。狹小的實(shí)驗(yàn)室并不能限制宗秋剛教授和他的團(tuán)隊(duì)的雄心，因?yàn)樗麄兊哪抗庠缫淹断蛄说厍蛑獾膹V闊世界。

航天器的“內(nèi)臟”在此煉成

宗秋剛教授的辦公室看上去就像是一座小型的航天博物館，隨處擺放著運(yùn)載火箭、星際探測器、空間站等各類模型；一枚精致的獎(jiǎng)?wù)?，因一時(shí)找不到陳列的位置，暫且與科研文獻(xiàn)擠在儲(chǔ)物柜上狹小的空間里——它是由國際日地物理科學(xué)委員會(huì)頒發(fā)的“杰出科學(xué)家”獎(jiǎng)，以獎(jiǎng)勵(lì)宗秋剛在識(shí)別粒子加速機(jī)制和統(tǒng)一空間等離子體中基本磁結(jié)構(gòu)方面取得突破，以及25年來對(duì)空間物理學(xué)做出的突出貢獻(xiàn)。

僅通過參觀這些擠滿辦公室的收藏品和角落里的獎(jiǎng)?wù)?，訪客們也能大致猜到宗秋剛多年來深耕的研究領(lǐng)域，還有他與中國航天事業(yè)之間的聯(lián)系。

此時(shí)，在辦公室斜對(duì)門的兩間實(shí)驗(yàn)室里，他的團(tuán)隊(duì)正在為形形色色的航天器打造“內(nèi)臟”——也就是航天器上搭載的科學(xué)載荷。雖然我們很少在有關(guān)航天發(fā)射的新聞中看到它們的模樣，但正是因?yàn)檫@些科學(xué)載荷的存在，以及它們在太空中的穩(wěn)定工作，耗費(fèi)巨資發(fā)射升空的航天器才不至于成為徒有其表的“空空皮囊”。

打開平淡無奇的實(shí)驗(yàn)室門，首先感受到的是里面忙碌的氣氛，緊接著就會(huì)看到用于制作科學(xué)儀器原型機(jī)的印刷線路板和芯片，還有用整塊金屬加工出來的外殼，都在有限的空間里各居其位。剛剛制作完成的線路板如同已經(jīng)被描畫好的龍，只要再加上芯片這個(gè)“點(diǎn)睛之筆”，便可以蘇醒過來，成為研究地球磁暴成因的全新科研儀器的核心。

在宗秋剛的工作臺(tái)旁邊，一扇厚重的鐵門被牢牢鎖住，門上掛著“禁止入內(nèi)”的標(biāo)志，處理芯片的關(guān)鍵步驟正是在這個(gè)超凈間中完成的。

與實(shí)驗(yàn)室相隔不遠(yuǎn)，在團(tuán)隊(duì)使用的會(huì)議室里，兩個(gè)普通得有些簡陋的鐵柜，陳列著一件件科學(xué)載荷的原型機(jī)。而此時(shí)，它們的成品已經(jīng)隨著風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，持續(xù)探測著地球磁層中不同區(qū)域的能量粒子。

航天器上天后，要面對(duì)的是復(fù)雜多變的空間環(huán)境。

在地球附近的近層宇宙空間中，是一個(gè)由大量被地球磁場俘獲的高能粒子形成的包圍地球的輻射帶，主要由能量高達(dá)幾兆電子伏的電子和幾百兆電子伏的質(zhì)子組成，又稱范艾倫輻射帶，大約98%的航天器都運(yùn)行在這個(gè)區(qū)域。區(qū)域內(nèi)的高能電子可以穿透航天器的屏蔽層，在航天器內(nèi)部引起深層介質(zhì)充電，永久損壞電子系統(tǒng)，還會(huì)對(duì)航天員的健康構(gòu)成致命威脅，所以也被稱為“殺手電子”。

在太陽風(fēng)暴期間，到達(dá)地球附近的太陽風(fēng)會(huì)撞擊地球磁層，引起地球空間劇烈擾動(dòng)。宗秋剛解釋說，太陽風(fēng)擾動(dòng)磁層的過程，就像屈原在《九歌·河伯》的開篇所寫的那樣：“與女游兮九河，沖風(fēng)起兮橫波（我和你暢游在九河上，大風(fēng)吹起河上的波浪）?！碧栵L(fēng)的撞擊，使地球的磁力線像琴弦一樣振蕩，產(chǎn)生超低頻波，將沿著磁力線運(yùn)動(dòng)的電子加速到非常高的速度，同時(shí)也將太陽風(fēng)的能量傳遞給磁層內(nèi)的“殺手電子”，給航天器帶來極大威脅。

而隨著空間科學(xué)和空間技術(shù)的不斷發(fā)展，預(yù)警和規(guī)避這種空間天氣災(zāi)害逐漸成為可能，這也是宗秋剛的實(shí)驗(yàn)室正在努力做的事情。宗秋剛領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)工作，為保證我國衛(wèi)星的安全，降低“殺手電子”帶來的損失，做出了卓越的貢獻(xiàn)。

“做科研先要沉下心來”

宗秋剛的主要研究領(lǐng)域是地球磁層中能量粒子的產(chǎn)生機(jī)制。而他與這個(gè)領(lǐng)域結(jié)緣，要追溯到20世紀(jì)80年代末他前往南極洲的時(shí)候。

從四川大學(xué)原子核物理專業(yè)畢業(yè)后，他被選派到中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心（現(xiàn)在的國家空間科學(xué)中心）工作。1989年，24歲的宗秋剛獲得了一個(gè)去南極考察的機(jī)會(huì)，參加科考站的建設(shè)和越冬科考，研究太陽活動(dòng)對(duì)地球磁層的影響。

對(duì)習(xí)慣了晝夜分明的人來說，經(jīng)歷南極漫長的極夜無疑是一種巨大的挑戰(zhàn)，很多人會(huì)在持續(xù)的暗夜中感到沮喪。而在面對(duì)這種極端環(huán)境時(shí)，宗秋剛卻找到了內(nèi)心的寧靜和熱愛，作為科研人員明確的目標(biāo)感，使他更不容易受到外部環(huán)境的影響。

夜晚的極光如同天空中垂下的簾幕，宗秋剛在驚奇之余，也被促成這幅美景的太陽風(fēng)，以及引起極光不同顏色的深層原因吸引著，不斷探索宇宙空間中各類粒子的奧秘，一直走到了今天。

隨著科研履歷的增加，宗秋剛越來越深刻地領(lǐng)會(huì)到“專心做好一件事情”的價(jià)值。在方向確定之后，沿著這條路走下去，便一定會(huì)有收獲。這樣的信念與科研經(jīng)歷，也塑造了他的實(shí)驗(yàn)室如今的氣場。

他培養(yǎng)研究生的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是強(qiáng)化學(xué)生對(duì)待科研的認(rèn)真程度，引導(dǎo)他們學(xué)會(huì)沉下心來，在取得成果之前耐得住寂寞。在宗秋剛看來，能夠做到堅(jiān)守初心，抵御外界紛繁蕪雜的誘惑其實(shí)并不容易。

1994年，他前往德國留學(xué)前夕，在歌德學(xué)院學(xué)習(xí)德語和德國文化。他的同學(xué)里有一位中國臺(tái)灣同胞，利用業(yè)余時(shí)間給人組裝計(jì)算機(jī)。在當(dāng)時(shí)的中關(guān)村，能自行購買零件并組裝計(jì)算機(jī)，是一個(gè)令人羨慕的技能，也是一種有利可圖的“高科技產(chǎn)業(yè)”。這位中國臺(tái)灣同胞試圖說服他放棄學(xué)術(shù)，一起創(chuàng)業(yè)去賺組裝計(jì)算機(jī)的快錢。但崇尚認(rèn)真與專注的宗秋剛不為所動(dòng)?！爱?dāng)時(shí)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展處在萌芽期，任何人只要上個(gè)夜校，基本就能進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，但我還是更喜歡空間物理?！庇谑牵谇飫偼窬芰藢?duì)方的邀約，踏上了前往德國馬克斯·普朗克研究所追求學(xué)術(shù)精進(jìn)的旅途。

融匯三國實(shí)驗(yàn)室文化

宗秋剛的導(dǎo)師是粒子物理學(xué)家本納德·維爾肯。當(dāng)時(shí)，他正在領(lǐng)導(dǎo)著歐洲空間局（ESA）的星簇（Cluster）衛(wèi)星計(jì)劃，準(zhǔn)備發(fā)射4顆科學(xué)衛(wèi)星對(duì)地球磁層進(jìn)行探測和研究。人造衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行的時(shí)候速度非常快，因此，在只有一顆衛(wèi)星的時(shí)候，科研人員很難甄別出是時(shí)間還是空間效應(yīng)，如果用4顆距離很近的衛(wèi)星同時(shí)測量，不僅能在很大程度上區(qū)分出時(shí)空效應(yīng)，還能利用多點(diǎn)觀測細(xì)致研究小尺度的物理過程。

當(dāng)宗秋剛抵達(dá)德國的時(shí)候，星簇衛(wèi)星的研制工作已經(jīng)基本完成。遺憾的是，發(fā)射時(shí)因?yàn)榛鸺刂瞥绦蝈e(cuò)誤導(dǎo)致了爆炸事故。宗秋剛因此得以跟隨維爾肯完成了重新建造4顆衛(wèi)星的全過程，并對(duì)實(shí)施一項(xiàng)空間探測任務(wù)有了非常直觀且深刻的體驗(yàn)。

德國頂級(jí)科研機(jī)構(gòu)的科研文化，也成為宗秋剛寶貴的精神財(cái)富?！霸诘聡?，‘Sie sind pünktlich’（您很準(zhǔn)時(shí)）是對(duì)一個(gè)人的上佳褒獎(jiǎng)。德國人很重視承諾、守信和時(shí)間觀念，在實(shí)驗(yàn)室中更是如此，甚至可以說是學(xué)術(shù)研究要遵守的最基本的規(guī)則。如今，這也成為宗秋剛實(shí)驗(yàn)室的底色，要求學(xué)生對(duì)承諾的事項(xiàng)與時(shí)間表負(fù)責(zé)，這是學(xué)術(shù)之路的基石。

在重視守時(shí)與約定之外，對(duì)宗秋剛觸動(dòng)最深的，是德國科學(xué)界針對(duì)邏輯性思維的嚴(yán)格訓(xùn)練，這使德國科學(xué)家很善于在分析問題時(shí)抓住本質(zhì)。

在前往德國留學(xué)之前，他曾在中科院用大約一年時(shí)間計(jì)算地球磁層中粒子的非線性物理過程，一直沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。有一次，他對(duì)維爾肯談起這件事，維爾肯立刻從衣兜中拿出一份速算筆記，經(jīng)過簡單估算，當(dāng)場給出了“不可行”的結(jié)論。這種看上去神乎其技的能力，無疑建立在極為清晰地理解相關(guān)物理概念的基礎(chǔ)之上。正是憑借深厚的學(xué)養(yǎng)，維爾肯才能在第一時(shí)間抓住問題的本質(zhì)，估算出物理過程的數(shù)量級(jí)，從而減少走彎路的可能。

“現(xiàn)在，我也引導(dǎo)我的學(xué)生這樣思考。有些時(shí)候，在透徹理解知識(shí)與概念的基礎(chǔ)上，做出量級(jí)的估算，并找出解決問題的方向，這樣可以減少試錯(cuò)的無用功。反過來說，如果不做定量分析，而只是定性判斷，就有可能走入‘想當(dāng)然’的誤區(qū)?！弊谇飫傉f，“這就像汽車司機(jī)要躲避路上的行人，卻不需要躲避螞蟻。撞上行人意味著交通事故，軋過螞蟻卻無關(guān)緊要，如果我們通過估算，判斷出前面目標(biāo)的體型只是螞蟻那個(gè)數(shù)量級(jí)的，就不必費(fèi)心去躲避。所以，建立在深入理解概念基礎(chǔ)上的估算，顯然更節(jié)約精力。”

在德國取得博士學(xué)位之后，宗秋剛又前往美國波士頓大學(xué)和日本早稻田大學(xué)訪學(xué)。這樣的學(xué)術(shù)經(jīng)歷，使他得以觀察3個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室文化的異同，并在培養(yǎng)研究生和管理實(shí)驗(yàn)室等方面取長補(bǔ)短。

日本的實(shí)驗(yàn)室也有自己的特色。每位擁有教授頭銜的科學(xué)家都會(huì)有自己的實(shí)驗(yàn)室，教師在實(shí)驗(yàn)室里擁有船長一樣的權(quán)威；他們有“徒承師業(yè)”的傳統(tǒng)，認(rèn)準(zhǔn)了一個(gè)方向往往能一代代持之以恒地做下去。

宗秋剛認(rèn)為，歐美實(shí)驗(yàn)室那種自由而活潑的氛圍是另一種理想的狀態(tài)。因?yàn)樵谒磥?，每個(gè)人的思維與知識(shí)體系都會(huì)有局限性，即使杰出的科學(xué)家也不例外。在探索未知的過程中，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)里每個(gè)人的長處更為重要。能夠充分開展學(xué)術(shù)討論的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，可以使研究團(tuán)隊(duì)更快地找到解決方案。

“在學(xué)術(shù)爭論中，想要說服特定的人是很難的，爭論往往會(huì)非常激烈，但這樣的氛圍反而有助于新的突破。每當(dāng)爭論僵持不下的時(shí)候，我便會(huì)想起當(dāng)年在德國受到的學(xué)術(shù)訓(xùn)練——讓別人接受自己的觀點(diǎn)或理論，并不能只是給出猜想，而是要用分析與實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)，才可以真正令人信服?！?/p>

“大宇航時(shí)代”需要新人

如今，人類考察其他星球的宜居性并嘗試前往定居，已經(jīng)成為一種大趨勢。每一次航天探索的成就，都會(huì)加深人們對(duì)太空環(huán)境的理解；而這些新的知識(shí)，又會(huì)影響新儀器的研制方向，使人們有希望了解得更多。

探索前人未知的領(lǐng)域，注定是一條不斷輾轉(zhuǎn)迭代、螺旋上升的攀登之路。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地球磁層空間的高時(shí)空成像，宗秋剛的實(shí)驗(yàn)室研制過一種全新概念的粒子探測裝置，稱為“千線陣列成像儀”。以往的探測裝置采用的是單一小孔成像的原理，而“千線陣列成像儀”是一種32×32的探測矩陣。針對(duì)探測矩陣中設(shè)備的接線方案，宗秋剛與團(tuán)隊(duì)做了很長時(shí)間的思考，但在真正上手之后，他們才發(fā)現(xiàn)，殫精竭慮想出的方案會(huì)給探測裝置帶來很高的“背景噪聲”，就像低端數(shù)碼相機(jī)在暗夜中拍攝的照片上會(huì)有駁雜的色點(diǎn)一樣，很影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量。于是，他們只能重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過幾個(gè)月的反復(fù)測試之后，方才找到能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的解決方案?，F(xiàn)在，他們正在尋找合適的機(jī)會(huì)，讓新研制的儀器上天一展身手。

那些已經(jīng)順利升空并取得科研成果的儀器，正隨著太空探索的進(jìn)展而不斷迭代，幫助人類不斷揭示太陽系里的諸多謎團(tuán)。比如，地球何以演化成為今天的樣貌，與地球相鄰的金星為何環(huán)境極為惡劣，以及火星是否可能在未來成為人類的第二個(gè)家？

就在2021年，中國的天問一號(hào)火星探測器經(jīng)過漫長的太空飛行，成功降落在火星表面并釋放出了祝融火星車。這標(biāo)志著中國成為全球第二個(gè)實(shí)現(xiàn)火星著陸探測的國家。在探測火星的熱潮中，勢必會(huì)呼喚功能更為強(qiáng)大的探測器，全新的科學(xué)儀器也必將應(yīng)運(yùn)而生。

“重返月球并設(shè)立科考基地只是第一步。雖然月球并沒有接納大批移民的潛質(zhì)，卻提供了真空和低重力的環(huán)境，可以讓人們在距離地球不遠(yuǎn)的地方探索在異星‘扎根’的種種可能性?！弊谇飫偛粌H樂于跟學(xué)生們討論定居異星的話題，還會(huì)布置一些獨(dú)特的作業(yè)。比如，為下一艘類似旅行者1號(hào)那樣的恒星際探測器選擇向地外文明宣傳地球的素材，針對(duì)環(huán)境條件各異的“移民候選星球”設(shè)計(jì)定居點(diǎn)，以及設(shè)計(jì)擁有人造重力的太空居住站。他認(rèn)為，既然學(xué)生要面對(duì)這樣的未來，就需要及早做好迎接它的準(zhǔn)備。

回到宗秋剛的辦公室時(shí)，開門的風(fēng)激起了一陣嘩啦啦的響聲。原來，門邊的幾排掛衣鉤上掛滿了上百個(gè)各色的學(xué)術(shù)會(huì)議胸牌，上面用不同的語言寫著會(huì)議召開的時(shí)間和主題。宗秋剛說，這些胸牌如同他的日記本，無暇寫日記的他只要翻看它們，就可以回想起在學(xué)術(shù)會(huì)議上收獲的新知與啟迪。

歲月如梭，宗秋剛已在空間物理領(lǐng)域深耕30多年，這些胸牌像是卸去所有雕飾的獎(jiǎng)?wù)?，彰顯著這30多年來的耕耘和成就，也激勵(lì)著站在“大宇航時(shí)代”潮頭的新人們，向著未來劈波斬浪。正如宗秋剛實(shí)驗(yàn)室定制的襯衫上，用不同的語言寫著的，“我們的征途是星辰大?！?。