張同杰：所系所念皆星河

張同杰在授課。陶振釗攝，制圖：張丹峰

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張同杰，1968年生，山東夏津縣人，北京師范大學(xué)天文系教授、博士生導(dǎo)師。他帶領(lǐng)研究團(tuán)隊提出一種新方法，利用射電輻射穿過星系際間中性氫云時產(chǎn)生的21厘米吸收線，直接測量宇宙膨脹加速度。通過使用“天河二號”超級計算機，對宇宙中微子和暗物質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬，呈現(xiàn)宇宙約137億年間的漫長演化進(jìn)程。

“我是誰，我從哪里來，要到哪里去？”從古至今，人們對這一“終極問題”的哲學(xué)思考和科學(xué)探索，從未停止。

北京師范大學(xué)天文系教授張同杰就是這一答案的追尋者。宇宙是怎么來的？經(jīng)歷了怎樣的變化？宇宙還隱藏著多少秘密？探索這些無比遙遠(yuǎn)的事，就是他的日常工作。

“對宇宙的好奇心，是人類的本能”

“宇宙起源的理論雖然很多，但學(xué)界公認(rèn)的只有宇宙大爆炸理論。其實，科學(xué)家們倒是希望出現(xiàn)一點特別情況，那意味著重大的新認(rèn)識，比如最近的哈勃常數(shù)危機問題……”張同杰打開了話匣子。與很多科學(xué)家一樣，張同杰的研究也是由興趣驅(qū)動，他說：“對宇宙的好奇心，是人類的本能。”

出生于山東農(nóng)村的張同杰，由于條件所限，沒有機會讀高中，只上了一個中專——山東省平原師范學(xué)校。張同杰成績優(yōu)異，被推薦參加高考，然后考入山東德州師專（現(xiàn)德州學(xué)院）物理系，之后又考入山東省教育學(xué)院（現(xiàn)齊魯師范學(xué)院）物理本科專業(yè)。

張同杰小時候數(shù)學(xué)成績特別好，老師也常常鼓勵他。“那時我的理想是成為數(shù)學(xué)家。”張同杰說，后來他發(fā)現(xiàn)自己對物理更感興趣，尤其是天體物理。他經(jīng)常聽收音機里的科普節(jié)目，也常在報刊上學(xué)習(xí)天文學(xué)相關(guān)知識，“報刊上介紹黑洞的文章，深深地吸引了我。”1993年，他考取了中科院上海天文臺天體物理專業(yè)的研究生，走上探索宇宙之路。

目前，張同杰帶領(lǐng)團(tuán)隊在4個方向上展開研究，其中既有主流的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)理論研究和觀測，也有比較“冷門”的地外文明探索。

宇宙學(xué)研究非常依賴觀測，對技術(shù)設(shè)備的要求非常高。在張同杰身上，就有一種能迅速抓住前沿方向、利用最新技術(shù)手段的敏感。

天文學(xué)家一直在尋找測量宇宙膨脹加速度的更好方法。理論預(yù)言，宇宙膨脹加速度變量極其微小——相當(dāng)于在一年的時間內(nèi)，增加了螞蟻爬行的速度。這需要極高的觀測精度。大約10年前，張同杰帶領(lǐng)博士生于浩然（現(xiàn)廈門大學(xué)天文學(xué)系副教授）與一個國外的宇宙學(xué)研究團(tuán)隊合作，基于紅移拖墜原理，提出了第一個宇宙加速膨脹的直接測量方法。

但是，這一方法需要用分辨率非常高的射電望遠(yuǎn)鏡對目標(biāo)類星體連續(xù)觀測5—10年才能得出結(jié)果。“中國天眼”（FAST）建成后，張同杰立即開展了FAST首個中性氫21厘米吸收線的宇宙加速度觀測。

宇宙演化模擬也是張同杰投入精力比較多的研究方向。早在2013年，張同杰就和于浩然用3萬億個粒子，模擬宇宙中微子、暗物質(zhì)的分布和演化，還原了約137億年的宇宙漫長演化進(jìn)程。

“模擬的粒子數(shù)越多，就好比攝像機的分辨率越高，‘還原’的宇宙演化史‘視頻’就越清晰。”2013年“天河二號”建成，團(tuán)隊很快跟“天河二號”設(shè)計者取得聯(lián)系，完成了數(shù)值模擬，那也是當(dāng)時世界上粒子數(shù)最多的N體數(shù)值模擬。

“超級計算機一般是五年一代，其算力第一的地位只能維持五六年時間，我們一定要抓住這樣的窗口期，力爭推動中國天文學(xué)研究領(lǐng)先世界。”張同杰說，他們團(tuán)隊仍在不斷調(diào)整方向、優(yōu)化算法，為下一次“上機”做準(zhǔn)備。

“嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、科學(xué)的治學(xué)方法，是我求學(xué)時最大的收獲”

在張同杰的每個成長階段中，老師的教誨都對他影響至深。“在德州師專讀書時，賀金玉老師的鼓勵，讓我對人生目標(biāo)有了清晰規(guī)劃。讀研時，宋國玄和沈有根兩位導(dǎo)師對我影響也很大。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、科學(xué)的治學(xué)方法，是我求學(xué)時最大的收獲。”張同杰說。

或許是接連得遇良師，讓張同杰對教學(xué)產(chǎn)生了極大的熱情。博士畢業(yè)后，張同杰進(jìn)入北京師范大學(xué)任教，在做好研究的同時，全身心投入教學(xué)工作。

在學(xué)生陳杰峰看來，張老師很喜歡帶“新人”。研究團(tuán)隊一般以碩士生、博士生為主，“張老師的課題組卻吸收了不少本科生，這讓很多學(xué)生在本科期間就有機會做出成果，對將來選擇研究方向大有裨益。”張同杰擅長觀察學(xué)生特長，據(jù)此幫助學(xué)生確定研究方向，同時充分尊重學(xué)生的興趣。

“我對使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法限制哈勃參數(shù)很感興趣，所以張老師只要一看到這個領(lǐng)域的相關(guān)資料、論文，就會發(fā)給我。”陳杰峰說。

碩士生陸昌智感受最深的則是張同杰的治學(xué)態(tài)度，“張老師教學(xué)時能清晰地抓住問題主干，提問則特別仔細(xì)，不會放過任何細(xì)節(jié)，用一連串深刻的發(fā)問直指本質(zhì)……”

張同杰的研究團(tuán)隊每周都會舉行一次集體討論會。學(xué)生有好的想法可以隨時跟張同杰溝通。“但張老師更鼓勵大家獨立思考，有問題要先嘗試自己解決。”博士生陶振釗說。

在團(tuán)隊成員眼里，張同杰似乎沒什么業(yè)余生活，一年中，可能只有春節(jié)才會休息幾天。學(xué)生們常?？匆娝T著自行車在校園里匆匆而過，吃飯也是“對付一口”。即便是早上6點或者半夜12點以后，學(xué)生把研究進(jìn)展發(fā)給他，他也是“秒回”。

“不能因為可能沒有結(jié)果，就不去做，科研的過程和結(jié)果同樣重要”

地外文明信號射電搜尋是張同杰團(tuán)隊的另一個研究方向。在一些人看來，這或許是科幻愛好者的異想天開，但這其實是一個非常嚴(yán)肅的科學(xué)問題。

射電望遠(yuǎn)鏡一直是探索地外文明的主要工具，也是FAST的五大主要科學(xué)目標(biāo)之一。早在2018年，F(xiàn)AST就安裝并調(diào)試了專門用于地外文明搜索的后端設(shè)備。

耗時漫長，希望渺茫，常常遭遇質(zhì)疑，所以很多望遠(yuǎn)鏡管理機構(gòu)都不會給地外文明探索分配太多的觀測時間。在這樣的情況下，愿意做地外文明探索研究的學(xué)者很少，但張同杰認(rèn)為這個研究方向非常重要，而且FAST在這方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。

“若真有地外文明信號穿越漫長時空而來，F(xiàn)AST無疑是最有希望發(fā)現(xiàn)這些信號的射電望遠(yuǎn)鏡。”張同杰為此做了很多準(zhǔn)備，在FAST建設(shè)期間，他就經(jīng)常與國外同行交流探討，做一些前期準(zhǔn)備工作。“不能因為希望渺茫，就認(rèn)為沒價值。不能因為可能沒有結(jié)果，就不去做，科研的過程和結(jié)果同樣重要。”張同杰認(rèn)為。

張同杰介紹，目前地外文明搜索的主要困難在于“信號難分辨”，“即使看見了，也不一定能認(rèn)出來”，因此需要不斷優(yōu)化算法。大部分“信號”都是干擾項，可能是儀器的噪聲、飛行器的信號等，這些都需要通過后續(xù)研究一一排除。“這正是課題組的主要工作之一，我們正在努力。”張同杰說。

■記者手記

仰望星空 腳踏實地

“不能因為可能沒有結(jié)果，就不去做”。采訪中，張同杰的這句話令人印象深刻。在他平實的話語中，似乎這只是再尋常不過的道理，但要做到這一點，需要極大的勇氣。

敏銳的眼光、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度、堅韌的意志，這些是優(yōu)秀科學(xué)家必備的品質(zhì)。追求科學(xué)真理，就是要一步一步地向著未知的科學(xué)高峰攀登。哪怕“道阻且長”，甚至終其一生都難以到達(dá)，但欣賞沿途的風(fēng)景也是一種收獲。哪怕研究方向是錯誤的，也并非毫無意義，因為至少為后來者排除了一個錯誤的方向，讓他們更容易接近科學(xué)真理。

仰望星空，腳踏實地；不浮躁冒進(jìn)，也不錯失良機。正是有了像張同杰一樣的科學(xué)家的接力前行，才一點一點為我們拓展了對宇宙的認(rèn)知。