黑洞研究常常为张双南带来惊喜。 (贺萌制图)
背着大双肩背包挤地铁,喜欢就着咖啡吃油条的天体物理学家张双南,研究着黑洞为什么“发脾气”,以及美女为什么美,有时也为引力波或者量子纠缠写写诗。
“因为很好玩呗。”这位54岁的中国科学院粒子天体物理重点实验室主任在描述自己的研究与爱好时笑得很顽皮。
张双南的科学研究是通过天文观测和理论计算来理解中子星、黑洞、星系、星系团以及宇宙演化,同时也研制空间天文仪器。他还力图从美的角度阐释科学,用科学的方法研究美。
张双南身兼“天宫二号”伽马暴偏振探测仪和硬X射线调制望远镜两个重要项目的首席科学家。伽马暴偏振探测仪已于9月随中国第一个真正意义的空间实验室进入太空。他希望硬X射线调制望远镜也能成功发射,更好地揭示我们所身处的这个神奇的宇宙。
太空里的望远镜 (贺萌制图)
宇宙中充满意外
科学家能够在银河系内发现一种“脾气暴躁”的黑洞要感谢医生。
而实现这一跨界发现的正是张双南。
张双南1962年12月出生于河南确山县城一个知识分子家庭。从小学到高中,他的学习成绩一直非常优秀。1984年清华大学毕业后,张双南考入中科院高能物理研究所读硕士,他的指导老师是被誉为“中国居里夫人”的著名物理学家何泽慧院士和中国高能天体物理的开创者之一李惕碚院士。之后,他又到英国留学,博士毕业后到美国做博士后。
张双南在美国做博士后期间从事的是粒子物理研究,1992年到NASA工作重返天体物理领域。由于他已经离开天文好几年了,他的项目负责人就先让他自己随便捣鼓点东西试试。
由于在这之前张双南还曾经申请过一家医院的工作,他研究了医生是如何得到医学图像的。在NASA,张双南“捣鼓”的结果是发明了“地球掩食成像”技术,使用了医学成像的专业软件处理天体观测数据,证明了这个方法非常有效。1994年,张双南以第一作者把这个图像处理方法的研究成果发表在权威学术刊物Nature上。“换一个行当的好处是,那个领域的人从来不这么做事情。”
宇宙中充满意外。(贺萌制图)
不按常理出牌的张双南每天都用这个新方法分析伽马射线天文卫星的数据,做出太空中伽马射线源的天图。“突然有一天,我发现天图上出现了一个新的而且是当时太空中最明亮的伽马射线天体,我感到极为震撼,立刻意识到这是一个重大发现。”张双南发现的是银河系内的第二个微类星体——一个7倍太阳质量、能产生喷流的“脾气暴躁”的黑洞。
“如果当初在美国我去了医院,现在工资可能非常高,哈哈。”其实当时张双南有很多工作选择,比如华尔街股票公司、石油公司、计算机公司,但他还是听从了博士后导师的建议继续从事科学研究。
后来张双南和同事们又发现了几个黑洞双星系统,并获得了NASA颁发的“集体成就奖”。1997年,张双南和另外两位华裔科学家崔伟、陈莞一起,提出了一个测量黑洞自转的方法,并首先测量了一批黑洞的自转,引起学术界的巨大兴趣。
有的黑洞自转,有的不自转,而以前科学家不知道如何测量。学术界现在用来测量黑洞自转的两个方法之一是张双南发明的。2000年,张双南又以第一作者在美国的《科学》杂志上发表了黑洞研究的成果。
“黑洞本身不发光,要了解黑洞都是通过它周围物质的辐射来推断黑洞的行为,往往会有意外的发现。黑洞不是一下子就能搞清楚的,这是很大的挑战,也非常有趣,常常能带来惊喜,这是我喜欢研究黑洞的原因。”张双南说。
张双南本想在NASA领导一个卫星项目,但是NASA不允许让中国籍的科学家来负责重要项目,而他又一直没有申请美国国籍。1998年,张双南离开了NASA到阿拉巴马大学工作。2002年,他曾经的导师、中科院院士李惕碚希望他能回国帮助研制中国第一枚空间望远镜——硬X射线调制望远镜,他便回国加入了李院士的团队。
硬X射线调制望远镜从论证到立项经历了曲折漫长的过程。10多年来,张双南始终坚信肯定能够做成。现在,这枚卫星的研制工作已经结束即将发射,张双南说:“感到压力非常大,都没有时间去激动,因为还有太多问题需要解决。”
除了吃饭睡觉,张双南几乎所有时间都在工作。由于患有腰椎间盘突出,他把桌子上的电脑架得高高的,站着办公。
患有腰椎间盘突出的张双南把电脑架得高高的,站着办公。
安装在“天宫二号”上的伽马暴偏振探测仪本是用来观测宇宙伽马暴和太阳耀斑高能辐射的。喜欢别出心裁的张双南忽然有一天想到用伽马暴偏振探测仪的数据去寻找蟹状星云中的脉冲星信号,团队的几个年轻人很快试了一下,结果竟成功了。
这是中国科学家第一次用自己制造并放置到太空中的天文仪器研究宋代中国人发现的超新星爆发遗留下来的脉冲星。32年前,张双南刚从大学毕业到高能物理所的这个实验室做研究生,他所在的团队曾经在中国第一次用高空气球上的仪器探测到了这颗脉冲星的硬X射线辐射。
他不久前也是突发奇想给本来为研究黑洞和中子星的硬X射线调制望远镜添加了观测伽马暴的能力。就这样,身兼两个项目首席科学家的张双南让两个不同的仪器的科学能力得到了显著的拓展,这与他在NASA发明了地球掩食成像方法异曲同工。
张双南担任首席科学家的“天宫二号”上的伽马暴偏振探测仪被科学家昵称为“小蜜蜂”。(贺萌制图)
没缺陷不常见
除了黑洞、中子星这些奇异的天体,张双南也饶有兴趣地研究美学。他对美的研究比研制卫星的历史还要长。
上世纪80年代初,中国刚刚改革开放,中国人忽然知道有美学,都在讨论谁是最美的。“有人说邓丽君美,但有人认为她不够美,我就在思考为什么。”张双南说。
“美女美食美景,不同人的判断标准是不一样的,美学书里列举很多美的事物,但是没有回答为什么同一样东西有人觉得美有人觉得不美。作为学物理的,天生就喜欢刨根问底。我根深蒂固的理念就是所有事物和现象背后都有规律,我就在想审美是否有规律。”
慢慢地,张双南总结出了美就是“没缺陷不常见”。
“经常有很多人攻击我的理论。他们说,哲学家2000多年没有解决的问题,你怎么可能用六个字来解答呢。每次有人攻击我的理论,我就感到非常好玩。”
天体物理学家研究美学是如此与众不同。他把归纳、证实、证伪,以及逻辑化、定量化的科学方法都运用上了。“我的美学是可以写出公式做计算的,我叫做计量美学,这样就可以有审美机器人啦。”
“我很认真地在想将来可以研制会审美的机器人。如果未来的机器人都不能区分美不美,这很无聊呀。我相信这个审美机器人最终会有巨大的商业应用价值,包括选美、选配偶、艺术设计、建筑设计等等,希望有人感兴趣投资这个项目。”张双南说。
“我们的人生就是审美的人生,如果不是为了审美,如果没有了希望,如果不是因为明天会比今天更美好,那我们还有什么理由活下去呢?人生的目的不就是有一个更美好的未来吗?”
张双南认为,技术创新的目的就是弥补原有技术的缺陷从而发明不常见,而科学创新的目的是修补原有理论的缺陷从而发现不常见,因此科技创新本质上就是对美的追求。同时,科学探索充满了意外,意外就是最大的不常见,这样的科学成果最美!
对没用的科学刨根问底
张双南在繁忙的科研之余常参与科普活动。在一些面向公众的讲座上,他从苏格拉底讲到爱因斯坦,从宇宙大爆炸讲到引力波,旁征博引、幽默诙谐地阐释“美的科学”和“科学的美”。
有人问他研究黑洞有什么用,他回答:“我不知道,但是我想搞明白这个问题。”
“科学的目的既不是造福于人类,也不是危害人类。科学的目的是刨根问底,也就是发现各种规律。”张双南说。
“科学在最初大部分都是没用的,但是现在对我们的生活发生了巨大影响的技术却都是来源于那些当初‘最没有用’的科学,因此现在‘无用’的科学其实是最应该做的,但是由于‘无用’,往往得不到支持,在中国尤其突出,因为在中国普遍不知道什么是科学,误以为有用的才是科学。尽管我们希望中国最终成为世界上科学研究领先的国家,但是这需要极长的过程。”
“科学研究是发现新的规律、新的现象,每一次研究取得进步,科学家都是第一个知道的人,当然也是第一个体会到科学之美的人,这就是科学研究带给我的最大快乐。”张双南说。
“天文研究中最有趣的发现都是意外的,除了带领团队承担重大科学研究项目之外,我个人的科学研究就是想理解什么就做什么,我发表的大部分论文都是这么来的。有人批评我这样不能出重大成果,但是我就是喜欢这样,好玩啊!”
网上有人提问张双南“如果生命只剩下60秒,给此生留下的一句话是什么”,他回答:“理解和试图理解这个世界、这个世界的组成以及在这个世界上生活的人类真的是很好玩,我曾经乐此不疲,希望留下的你们也是如此。”
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