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景益鹏:仰望星空,破解“宇宙之问”

作者:卞 姬

2017/10/9 15:05:19

  仰望星空,人们经常会发出“宇宙之问”。面对浩瀚神秘的宇宙繁星,地球或许如沧海一粟,人类更是尘埃般渺小,但这更激发天文学家探索宇宙奥秘的决心。

  中国科学院院士、上海交通大学物理与天文学院院长、讲席教授、我会交大分会副会长景益鹏,几十年致力于宇宙结构和星系形成的数值模拟、理论研究和观测分析,努力探索、尝试解密这一个个“宇宙之问”。

  暗物质可能是“温暖”的

  暗物质和暗能量,这两个词在近几十年的宇宙学研究领域中频频出现,它们分别占据了宇宙的23%和73%。似乎研究宇宙学就绕不开它们。

  2001年8月,100多位世界顶尖天文学家汇集“第三届华人物理学大会”,众人的目光聚焦在一位来自国内的年轻天文学家身上,他声音不大,但字字含金:在宇宙形成的极早期,暗物质可能是“温暖”的。他用一架“虚拟望远镜”即数值模拟得此结论的。他的发言,轰动了整个会场,也轰动了国际天文学界。他解释,在宇宙形成极早期,暗物质并不像目前这样处于静止状态,而可能存在一定的无规则运动。

  科学界已公认,我们所能观测的色彩绚丽的星系和发光物只占宇宙的一小部分,其余80%以上都是看不见的暗物质,由于它们无光无影,一直被认为是“冷”的。专家们认为“温暖物质”理论一旦被确认,将对认识宇宙的基本物质构成和研究基本粒子物理产生深刻影响。

  “一鸣惊人”的景益鹏,作为国家自然科学基金创新研究群体带头人、国家“973”项目首席科学家,已发表高水平学术论文100多篇,其中21篇论文的单篇引用数超过100篇次,H因子高达41。

  暗能量是一种看不见,推动宇宙加速膨胀的能量。景益鹏说:“天文学家曾以为因引力作用宇宙膨胀速度会减少,但事实恰恰相反,宇宙正在加速膨胀。因此,科学家根据爱因斯坦广义相对论,推论存在‘反引力’的暗能量。”

  景益鹏和他的合作者赵东海等通过一系列数值模拟和各种物理考虑后,于2009年首次提出了暗物质晕增长的普适物理公式,这是目前世界上预言暗物质晕质量增长和内部结构的最精确公式。

  “学霸”从小就喜爱物理

  今年53岁的景益鹏出生在浙江上虞的一个小镇,高中就读于素有“北南开,南春晖”之称的百年名校春晖中学。

  从读高中开始,他就一直属于“学霸”级人物。虽然时间已经过去了30多年,但那些曾经教过他,甚至是没教过他的高中老师,都对他记忆深刻。“他从来不是班级里的活跃分子,他很朴实,是一块做学问的好料子。”数学老师杜培荣如此评价他。

  景益鹏是1980年春晖中学复校后的第一批毕业生。那时,基础物理理论发展迅速,爱因斯坦、牛顿和中国数学家陈景润等成了青少年心中的偶像。景益鹏自然也不例外,尤其对爱因斯坦的相对论非常感兴趣,在高中时期就喜爱上了物理学科。

  中学毕业时,他以全校第二名的成绩考上杭州大学(后并入浙江大学)物理系。但是在当时学校里主持工作的副校长沈乃福看来,作为“学霸”的景益鹏当时在高考中并没有完全发挥出最强实力,“本来还可以考得更好”。

  速决博士学位,“领先”霍金

  大学毕业后,景益鹏考取了中国科技大学研究生,师从天体物理学家张家铝院士。正是在这一阶段,他的主攻方向开始由物理学转向天体宇宙学。

  回顾这一转变,景益鹏说,其实最初是另一位老师提醒,宇宙学以后可能会有很大的发展。于是他去征询自己的导师,张院士非常支持。从此,景益鹏明确了将天体宇宙学作为自己未来的研究方向。景益鹏果然没有让导师失望,在天体宇宙学研究领域表现出卓越的科研能力。在离开中科大的时候,就已经发表了A类B类文章5篇。

  出色的学术成绩为景益鹏争取到了赴意大利国际理论物理中心做访问学者的机会。意大利一直是他向往的地方,不仅在天文天体发展史上占有非常重要的地位,学术氛围浓厚,更重要的是,那里有最为杰出的天体物理学家丹尼斯・夏马。他是斯蒂芬・霍金在剑桥大学时的导师,还培养过马丁・里斯、布兰登・卡特、乔治・埃利斯等世界一流的科学家。

  1989年,25岁的景益鹏准备报考丹尼斯・夏马的博士研究生,但他发现自己已经错过了意大利国际高等研究生院的报名时间。幸运的是,丹尼斯・夏马仔细看了他寄过去的资料后,给了这个中国年轻人一次机会,同意他报名参加考试。

  这是一次十分激烈的竞争,丹尼斯・夏马此番只招3名学生,来报考的17名学生都是国际天体物理研究领域的佼佼者。丹尼斯・夏马亲自主持了考试,考试分笔试和口试,内容为“天体物理的前沿问题”及“如何看待星系分布的最大结构的两派争论”等,让考生自由发挥。扎实的天文学理论功底让景益鹏在考场上挥洒自如,其独到的见解、前瞻的思想让丹尼斯・夏马颇为兴奋:“这是个难得的天文奇才!”考试结果,景益鹏名列17位学生之首,如愿以偿成为了丹尼斯・夏马的学生,著名科学家霍金的师弟。

  事实证明,夏马当初的决定是对的。仅仅两年的时间,景益鹏先后有10多篇论文在《美国天体物理学报》《英国皇家学会天文杂志》等国际权威学术刊物上发表。有一天,夏马对他说,你可以提前毕业了。在此之前,意大利国际高等研究生院的天文专业还没有人能在2年内取得博士学位。据说他的师兄霍金曾申请提前至3年完成博士学业,却被丹尼斯・夏马拒绝了。景益鹏也因此成为该院天文专业2年取得博士学位的第一人。

  组建“中德马普青年伙伴小组”

  后来,景益鹏来到德国马普天体物理研究所从事博士后研究。他的导师乔哈特・伯纳计划组建一支德国与中国一流的年轻宇宙学家队伍。他问景益鹏愿不愿回到中国担此重任,如果景益鹏不愿意回国,他就会取消计划。

  景益鹏答应了。事实上,他一直在盼望学成归国的那一天。他谢绝了亚里桑纳大学、东京大学、罗马大学等开出的优厚条件,2000年毅然踏上了归途。景益鹏说,在国外几个高水平学术平台做过研究,更加知道我们国家在天文事业方面的差距,“国外再好,也是外国的,作为中国人,最终还是要选择回来。”

  这年5月,我国天文界第一个“中德马普青年伙伴小组”组建成立。“马普小组”由中国科学院、德国马克思普朗克科学促进会、中科院上海天文台和德国马普天体物理研究所联合创办,景益鹏负责具体运作。其研究的课题均为现代宇宙学的前沿问题,包括宇宙大尺度结构、星系形成与演化、星系的相互作用、暗物质和暗能量的物理性质、引力透镜效应等。

  “马普小组”刚组建,景益鹏决心通过自培、招聘双管齐下,努力打造一支精锐的“科技尖刀组”,为进一步揭开宇宙奥秘,为我国的宇宙学研究跻身国际领先地位作贡献。

  景益鹏没有食言,十多年来,身先士卒,埋头苦干,除了出差,其余时间绝大部分在工作室度过:每周采购一次,把一个星期所需统统购足放在冰箱里;每天骑自行车上班,中午一律工作餐,在工作室稍作休息又开始了研究;晚上,上海天文台的天文大厦六楼总亮着一片白炽灯。那段时间,景益鹏和“马普小组”的每个成员每天都在与星星“零距离”对话。

  只用了短短两年时间,这个以博士为主的8人小组就已超越国外同行,创造了一切从零开始的奇迹。他们在国际权威学术刊物上发表论文14篇;与东京大学合作完成一组高精度的宇宙学数字模拟,比国际上同类模拟的质量和空间分辨率分别提高了8倍和2倍,因这组高精度数字模拟在宇宙学的多项研究中具有重要应用价值,已引起国际同行普遍关注……

  德国马普学会主席哈勃特・马克在参加“马普小组”中期评估会后说,他被景益鹏博士和他领衔的“马普伙伴小组”的敬业精神深深打动,相信景博士在宇宙学研究领域将是一个出色的领军人才。

  助交大升格“物理与天文系”

  2012年,景益鹏加盟上海交通大学物理系,踏上了他研究的新起点。开始着手推动天文学与其他学科交叉发展,先后完成了学科点布局、高端研究型人才引进和重大项目申请等多方面的工作。

  经过了一年多的筹备,2013年6月,上海交通大学宣布将物理系升格为“物理与天文系”,景益鹏担任物理与天文系天文与天体物理研究中心主任。这是当时国内大学首个“物理与天文系”,被时任校长张杰高度评价为“具有里程碑意义的大事。”

  景益鹏目标更为长远,中心的研究方向就是要解密“宇宙之问”,绘制宇宙地图。他非常明确地指出了三个目标:宇宙新模拟演示;与日本、美国合作的大型星系观测项目PFS;与加拿大、法国合作的大面积U波段项目。

  为了更好地推进物理学科和天文学科交叉融合,景益鹏提出了参加平方公里阵望远镜(SKA)的计划。该项目由全球20多个国家合作,开始于2016年,2019年进行第一批观测,2024年完全投入使用。用他的话来说,就是“用更远的望远镜看到更年轻的宇宙”,它是由数千个小天线组成的射电望远镜阵列,灵敏度高于任何现存的射电设备50倍以上,能够以一万倍的速度完成巡天,进而能够解答宇宙的起源和演化的基本问题。

  除了对天文数据的科学分析,“虚拟”天文台的建设、斯隆巡天四期(AS3)和大型重子声波振荡光谱巡天(Big BOSS,首个第四代暗能量实验)也是中心未来优先发展的方向。用观察数据处理软件及数据库建设的模型,也许会指导人类更深刻地理解宇宙。

  做夏马一样的好导师

  景益鹏刚回国时,国内很多高校没有天文学专业,天文物理方面的高端人才更是紧缺。他常说,天文的发展还是要靠人才的培养。因此,无论本科生、硕士生,还是博士与博士后,他都是亲自带学生,希望自己也能扮演好导师的角色。也许是受到了夏马老师的影响,他给了学生充分的科研自由,注重对其研究能力的培养。

  在他看来,保持兴趣是科研工作必不可少的条件。“在学习过程中,夏马老师给了我非常大的平台,放手让我们去做感兴趣的研究。当时他说过一句话让我至今记忆犹新:‘我们这里有很多年轻的研究人员,他们就在做你感兴趣的这一方向,你跟他们去合作吧’。”景益鹏回忆称,正是夏马的指导方式让其学会了独立思考、独立科研的能力,让其与当时研究所里的其他年轻人各自分工,平等合作,科研独立性得到了大幅度提升。

  景益鹏对学生很好,特别是对家庭条件一般的学生,他更是尤为照顾。学生们谈到景教授一般最后都会补充一句:“虽然景老师脾气很好,但对学业要求极为严格,来不得半点马虎。”也正因为如此,景益鹏的学生在几年的学习之后,不仅科研基础坚实,发表很多高水平论文,有的还成为了景益鹏如今的工作伙伴。

  “我认为研究生阶段的学习跟高中、大学阶段是非常不一样的。我会先给新生们一些时间,让他们思考到底对什么问题感兴趣。我也会针对他们的选择,尽自己最大的能力并邀请国外某一领域专长的专家、老师对其进行指导。在学生的研究后期,我会尽量推荐他们到国际一流的研究平台上进行锻炼。让学生对科研感兴趣、培养学生的科研能力是作为导师应尽的最大责任。”景益鹏说。

  妻子眼中的好丈夫

  在很多人印象中,科学家都是一头扎进实验室里,几天几夜都可以不出来,没有任何生活的情趣。但是,在景益鹏的妻子赵伶丽看来,她的丈夫绝不是这样一个没有生活乐趣的科学家。虽然,两个人平时聊得最多的话题还是和物理有关,但这些有关物理的话题最终都会融入生活。

  景益鹏和妻子赵伶丽是高中同学,到了大学两个人学的都是物理专业。学物理的都知道,最难的学科是四大力学,赵伶丽说,景益鹏学得最好,几乎科科满分。

  景益鹏的成绩之所以出众,在赵伶丽看来,与他认真踏实的作风有关。有一次,景益鹏为了写一套天文模拟程序,直到病倒为止。“当时国际上没有任何模板可循,要写出这样一套程序,不仅需要超高的专业素养,更需要严谨认真的工作态度。要是有一个地方出错,这套程序就运行不下去,因此他对每一个细节都反复斟酌,耗费了大量的精力。”赵伶丽说到丈夫,都是满满的欣赏。

  “令我困惑的不是神秘的宇宙,而是人类为什么能够认识这一切。”这是景益鹏最喜欢的一句爱因斯坦名言。确实,正如景益鹏所言,与其他学科相比,天文和宇宙距离人们的生活非常遥远,地球上所有的物质都可以在化学元素周期表中找到对应的元素,而天文学家所面对的、研究的对象是远在天边的星系和暗物质。这些神秘的存在是如何构成的,又会如何演化,时间的长河让这些问题变得难以捉摸。

  天文学家就像一座通往浩瀚宇宙的桥梁,拉近了地球人类和外太空的距离;景益鹏更像一个在科研中前进的战士,为我们揭开一层又一层神秘的面纱,探寻天体的神奇奥秘,绘制宇宙的最新图景。