张同杰:愿与更多人一起仰望星空

编辑:柴晶晶 来源:德州新闻网 时间:2016-02-26 09:27 [打印] [ ] 论坛 微博
关键词:张同杰 物理学 天河二号 天文

张同杰与“天河二号”

张同杰与著名物理学家丹·魏茨莫在美国加州大学伯克利分校

模拟宇宙中微子和暗物质的分布图

个人简介
    张同杰,1968年生,夏津县人。北京师范大学天文系教授、博士生导师。 1999年毕业于中国科学院上海天文台,获天体物理学博士学位,研究方向为标准宇宙学的理论和观测效应以及高精度计算机数值模拟。2006年起率团队利用哈勃参量数据对宇宙学模型进行限制,为国际首创。 2015年又率团队在“天河二号”超级计算机系统上成功完成了3万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟,揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的漫长演化进程。
“上下四方曰宇,往古来今曰宙。 ”宇宙以其浩瀚、神秘,持续吸引着人类探索的目光,北京师范大学天文系教授张同杰即是其中佼佼者。去年5月,他率团队利用“天河二号”超级计算机成功完成了3万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟,揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的漫长演化进程。这项研究领先世界,引发学术界极大关注。
    不久前,记者来到北京师范大学天文系。不足10平方米的房间拥挤、局促,角落里堆满杂物,桌面上散落着一沓沓英文资料,小沙发上还有没叠好的被子——若不是门上有名牌,记者很难想象,张同杰的目光与思维就是从这里出发,穿越无尽时空,带回关于宇宙的秘密。
寒门少年曲折求学“偶遇”天文步入新天地
    “宇宙是无比巨大的,举个简单的例子,我们现在看到的太阳实际上是8分19秒前的太阳,因为光要用8分多钟才能走完这段距离。而我们目前能观测到的最遥远的星系距离地球130多亿光年,光130多亿年会走多远?”聊起宇宙,张同杰严肃的面孔变得生动起来,眼神中闪烁着光芒。
    张同杰投身天文学源于一个偶然契机。1986年下半年, 被德州师专(现德州学院)物理系录取的他因为学校无教室,便在老家等待正式入学通知。闲暇之余读到了一些关于天体物理研究的报道,对天体物理产生了兴趣。直到1993年,张同杰正式被中国科学院上海天文台录取为硕士研究生,正式开始他的天体物理研究。
    虽说偶然,却与张同杰“最初的梦想”一脉相承。 1968年,张同杰出生在夏津县东里镇邹庄村,家境贫困,他进入校园时,“学好数理化,走遍天下都不怕”这一金句正流行。受此影响,张同杰数理化成绩一直不错,尤以数学为佳。与此同时,张同杰经常听一档名为“科学知识”的科普电台栏目,这也促使他萌发了第一个人生梦想——成为一名科学家,这与身边很多同龄人一样,但不同的是,他成为了坚持到了最后的少数人之一。
    1983年,初中毕业的张同杰考入平原师范学校读中师。“这是一个现实的选择,我当然更想读高中,然后考大学。但中师是我们这些农村孩子摆脱黄土、获得工作的最快途径,我要尽快承担起家庭责任,为父母分忧,再另辟通往梦想的道路。 ”张同杰回忆说,“中师不分文理科,而且开设高中没有的音体美等课程,学得比较全面,这是优点;缺点是全而不深,最大的不足是不开设英语课,后来我为此吃过不少亏。 ”
    这期间,张同杰有过迷茫:是不是一生的理想会就此破灭?压力之下,张同杰一年级时学习成绩并不好,却在不停寻觅提升的机会。命运没让他等太久,一年级期末,张同杰看到有三年级生经学校推荐参加高考。“我感觉机会来了。从那时起,我在学业上付出了更多的努力。”两年后,张同杰考入德州师专(现德州学院)物理系。
    这一阶段,张同杰将升本及考研列入目标清单,但过程并不顺利。 1988年,他升本考试落榜,是英语拖了后腿,随后便迎来毕业,经分配成为一名中学老师。
    “落榜后我一度颓丧,后来成为德州学院院长的贺金玉老师给予我点拨,父母也一直鼓励我,这让我重新振奋起来。”张同杰边教书,边学习,利用一切机会提升自己,1990年他去往山东省教育学院(现齐鲁师范学院)脱产进修两年,拿到本科学历。
    为打败“老对手”英语,张同杰可谓费尽心血,更是因为无人指导走了太多的弯路,不过如今他已能熟读英文著作,并用英文撰写论文、与国外同行交流。
    “命运一定不会辜负坚持不懈的人,若回报还没到来,不妨耐心些。”张同杰对这句话深有感触。
    1993年,经历多次考研失败的张同杰考取中国科学院上海天文台的研究生,跟随天体物理学家宋国玄研究星系计算机数值模拟,跟随被称为中国“虫洞之父”的宇宙学家沈有根一起研究量子宇宙学、黑洞和虫洞等,并且一鼓作气,于1999年拿到天体物理博士学位。
    博士毕业后,张同杰成为北师大天文系的老师。之后,张同杰分别去往加拿大理论天体物理研究所访问,到美国亚里桑那大学进行博士后研究。 2014年,张同杰作为高级访问学者分别到美国加州大学伯克利分校天文系和劳伦兹国家实验室访问。可以说,偶遇天文让张同杰步入全新天地,给他的人生指明了方向。
执着追溯宇宙起源 探寻世界的奥秘
    宇宙在普通人眼里仅仅是一个空泛的概念,对它的理解更多来源于想象与科幻作品,而在科学家眼里则蕴含着一门严谨的科学。张同杰的研究方向正是宇宙学,是天文学中天体物理学的一个分支。在多个研究领域,张同杰都颇有建树。“遥远的天体发出的光,经星系、星系团或宇宙大尺度结构到达望远镜的过程中,由于引力场的作用会发生引力偏折,造成该天体可能会形成几个像,此为引力透镜效应。如果这个天体是一个星系,大尺度结构引力场的扰动就会使星系的形状发生变化,这就是弱引力透镜效应。 ”张同杰说,“弱引力透镜效应是一种直接探测宇宙空间物质分布的重要工具。通过观测分析星系形状随其位置的系统变化,我们可以得到弱引力透镜信号的空间关联函数,从而得到物质分布的空间关联函数,以及宇宙几何尺度的演化历史,这让我们对宇宙的理解更加深刻。 ”张同杰和其研究生这方面研究成果在国际著名刊物《天体物理》杂志上发表后被广泛引用。
    2006年以来,张同杰带领团队持续研究一项国际前沿问题,即利用哈勃参量数据对宇宙学模型进行限制。在他们做这项工作之前,美国有一个小组通过利用星系的年龄而得到的数据,对标量场的势进行了限制,但是并没有把这批数据用在宇宙学参量的限制上。“宇宙学参量就是指宇宙中物质占多少暗能量占多少等数据情况,我们是国际上第一个把这批数据应用在宇宙学参量限制上的科研团组,现在国际上很多研究同行都在关注我们这项工作的成果。 ”
    去年5月,一则新闻引发国内外科技界广泛关注:“天河二号”完成3万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟,成功推演宇宙137亿年的历史,制作出史上最强“宇宙大片”。主持这一项目的宇宙中微子数值模拟团队正是由张同杰领衔。
    这是一次世界范围内史无前例的超级计算,比美国阿贡国家实验室的米浪(Mira)超级计算机2014年进行的1.07万亿粒子数数值模拟超出两倍多,创造了新的世界纪录,其强度目前全世界只有“天河二号”超级计算机才能承担。“我们为‘天河二号’设置好参数,为了这次计算它运行了50余个小时。它好比一架像素极高的超高速摄像机,通过上述模拟还原出宇宙清晰而漫长的演化‘视频’,使宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的漫长演化过程得以呈现。 ”国际天文界认为,这一研究成果为通过天文观测手段研究宇宙中微子及其质量打开了一扇新的大门,有望大大缩短人类探索宇宙起源与演化奥秘的时间进程。
    不久前,伴随着美国国家科学基金会(NSF)宣布人类首次直接探测到了引力波,这个对普通人而言非常陌生的名词成为社会热议话题。对此张同杰谈到:“常有人问我:你的研究与思考似乎离我们很遥远,这一切究竟有怎样的意义?我往往这样回答:追溯宇宙起源,探寻万物奥秘,人类永远有义务和责任去更深刻地认识所生存的世界。引力波的发现不仅极大推进了人类认识世界的进程,更是让更多人理解了基础科学的力量,借用麻省理工学院校长拉斐尔·赖夫的一句话:基础科学的研究是艰苦、严格且缓慢的——但与此同时,它也是激动人心的、革命性的和具有催化作用的,如果没有基础科学,我们最好的猜想将不能得到任何改进。电磁波刚被发现时也被认为是无用的,但最终使人类有了无线电通信和手机。我们所做的事可以带给人类什么?答案是无穷的可能。 ”
乐做“播种者”为家乡教育、科普做贡献
    2008年12月,张同杰与另外两位教授相约,自费买了望远镜、科普书籍和光盘,风尘仆仆地奔赴四川绵阳南山中学——这所中学接收了受灾严重的北川中学100多名学生。兴趣浓厚的中学生们聚精会神地聆听着三位教授的专题报告,那一双双渴望知识的眼睛深深地打动了张同杰:“青少年对科学,尤其是天文学,是有浓厚的好奇心与求知欲的,科普工作对青少年影响很大,一个好的开端很可能会影响一个人的一生。 ”张同杰对发达国家普遍重视科普工作非常赞赏,“即使是诺贝尔奖获得者,每年也要花时间承担一定的科普工作,美国航空航天局(NASA)的科普工作更是开展得非常成功。实际上,科学家、科研人员确实有责任向社会普及一些科学知识,尽管做科普对科研人员本人并没有什么太多的实际效用。 ”
    与其一个人“仰望星空”,张同杰更想做一名“播种者”,愿意与世界一起,分享宇宙的美丽与神奇。平时教学、科研任务繁重的张同杰,总是尽可能多地参加一些科普活动。
    在张同杰办公室的书架上,两个刻有“德州学院”字样的黑陶摆件十分显眼,张同杰说,他很感激母校的培养,如今与德州学院联系非常密切,在他的推动下,曾有两次宇宙学国际会议在德州学院召开。“目前德州学院虽没有天文系,但天文科研力量很强,已经有5位中科院毕业的天文学博士任职,今后我们之间还会有更深入的合作。 ”
    如今的张同杰,已是颇有声望的天文学家,不过他仍保持着对科学的纯粹热爱,不求名利,低调质朴,对物质生活无甚要求。他说:“我始终记得自己是农民的儿子,我忘不了质朴的鲁西北平原对我的养育之恩,如今德州已是融入京津冀协同发展城市,我期待着有机会为家乡做些事情。 ”
    就在今年1月,北京天文馆馆长朱进、科普部主任寇文与张同杰等一行四人,受德州市教育局邀请来德州多所中小学考察,就筹建天文实验室、开展天文科学普及、开发天文校本课程等进行交流并初步达成合作意向。张同杰表示,全国中学生天文奥赛、天文夏令营冬令营、“仰望星空快乐成长”科学探索等系列活动,在很多大城市开展得很火爆。其中,在天文奥赛、天文营中的成绩,已成为一些大学天文专业自主招生降分的重要条件。开展天文教育,不仅能激发学生探索宇宙的好奇心、想象力,培养了学生的科学素养,而且拓展了学生上大学的渠道。“我愿意为家乡的天文教育及科普工作做更多的贡献。”张同杰说。
□本报记者 张晓航 本报通讯员 苏鹏 邓美平

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