"慧眼"背后"靈魂人物"李惕碚：科學路上的"少數派"

4月6日，李惕碚在清華大學接受新華社記者專訪。 （屈婷/新華社）

他頭發半白，身材瘦削，骨子裡卻常常要和西方主流的學術觀點“唱唱反調”﹔他言語溫和,還常常愛笑,自己也奇怪學生們為什麼對他個個言怕﹔他衣著朴素,騎著一輛破舊的自行車在校園裡穿梭,腦袋裡卻思考著宇宙起源和結局這樣的大問題……

他就是中國科學院院士、中科院高能物理研究所研究員、清華大學教授李惕碚,中國首顆X射線天文衛星“慧眼”背后的“靈魂人物”。

“慧眼”全稱硬X射線調制望遠鏡衛星(簡稱HXMT),於15日發射升空。為了這顆衛星能夠立項,李惕碚奔走呼吁長達近20年。他的心中裝著中國自然科學發展的大圖景、大目標,這注定是一條不平坦的道路。

哲學的啟發

大學時代形成的學習方法和思維習慣造就了李惕碚之后數十年科學研究的風格。他從不迷信任何學術觀點 ，反而總是想要“挑挑毛病”

生於1939年,李惕碚還在小學時,就被馬克思主義哲學迷住了。

新中國成立之初,全社會都在普及馬克思主義,一本名叫《學習》的雜志逐期介紹了馬克思主義的啟蒙讀物《社會發展簡史》,十來歲的李惕碚一下就被吸引住了:“原來人類社會的不同階段都可以用科學理論來解釋,這簡直是不可思議!”

少年時代的震撼讓這位科學家永生難忘。就是從那一刻起,哲學的種子在他心中深深扎根,成為他漫長而曲折的科學研究之路上的一道風景,一種指引。

中學時代,李惕碚被量子力學中的哲學爭論所吸引,決定考大學時一定要學物理系。高中快畢業時,清華大學的工程物理系剛剛開辦,主攻原子能科學技術,李惕碚義無反顧地選擇了這個系:“第一,研究原子能,量子力學是基礎,滿足了我對前沿物理和哲學的雙重興趣﹔第二,當時以為可以去造原子彈,為中國人爭氣。”

1957年,李惕碚步入了夢寐以求的清華校園,然而,“三年困難時期”也接踵而至。“大家都吃不飽飯。”為了理解復雜的社會現實,李惕碚花了大量的時間閱讀哲學經典。

就在這段時間,李惕碚接觸到影響他一生的書——列寧的《哲學筆記》。“這本書對我震動非常大。我也在讀黑格爾、康德,但是列寧學習的方法跟我完全不一樣。他在書上畫了很多符號,有時寫上‘胡說’,有時批注‘很好’,完全是在和作者進行平等的交流和爭論。后來,我也學他的方法,在書上做筆記畫符號,叉呀鉤呀驚嘆號,我也用這個方法來學習物理。”

大學時代形成的學習方法和思維習慣造就了李惕碚之后數十年科學研究的風格。他從不迷信任何學術觀點,反而總是想要“挑挑毛病”。事實上,他的很多科研成果都是建立在挑戰前人結論的基礎上,例如在1980年代建立了銀河伽馬射線的統計模型,首次給出銀河宇宙線產生高能伽馬射線的定量估計,並指出國際普遍接受的2CG星表所發現的宇宙伽馬射線點源約有一半是不真實的,經過多年的爭論后,這一模型的正確性才被觀測証實。

“我總想做一點新的東西,特別是做出跟西方主流不一樣的東西,尤其是在長期的爭論之后,最后証明我對了,這是特別讓人愉快的事情。”李惕碚說。

發現新“大陸”

這是一個“野心勃勃”的空間科學計劃：完成人類首次硬 X 射線成像巡天，發現大批黑洞，深入研究中子星和黑洞強引力場中的動力學和高能輻射過程。如果及時實現，中國將在一個重要的基礎科學前沿實現跨越式的發展

1963年從清華工程物理系畢業時,李惕碚被分配到原子能研究所雲南高山宇宙線觀測站,就此走上了基礎研究的道路。

1980年,李惕碚第一次走出國門,到英國做訪問學者。“當時,國內剛剛才有計算機,我要跑到科學院計算所去做計算,程序要一個孔一個孔打到紙帶上去﹔到了英國,電腦已經有操作系統了,還有機會接觸到前沿的數據。”李惕碚回憶說。

面對這麼好的條件,同時又和非常優秀的外國學者共事,李惕碚如飢似渴地學習和工作著。不過,當節奏過於緊張時,他也找到了一種獨特的排解壓力的方式——看恐怖片。“當時,國內的恐怖片很少,國外的恐怖片,像吸血鬼、僵尸這類的,挺吸引人,還能轉移緊張感。”

不過,恐怖片的橋段只是這位“不接地氣”的學者為數不多的一個“趣談”,他的腦子裡大部分時間都裝滿了各種各樣的科學問題。從英國回來后,他開始認真思考,如何讓中國在高能天體物理領域趕超世界前沿?

在他的推動下,中科院高能所開始嘗試用高空氣球搭載硬X射線探測器,到大氣層之上進行觀測。“美國一個氣球上的硬X射線儀器要花幾百萬甚至上千萬美元,而我們的球載探測器作為科學院的重點項目,也隻獲得幾十萬人民幣的支持,怎麼去和美國比?”李惕碚指出,在硬X射線這個波段天體觀測成像尤為困難,這是造成探測器代價昂貴的主要原因。“硬件做不起,中國人想都不要想,這就逼著我們去創造新的成像方法。”

於是,李惕碚和自己在科學道路上多年的老搭檔吳枚研究員一起,著手在數據處理方程的海洋中開辟新的航道,想利用現有的不能成像的儀器來實現成像。“我們倆差不多在同樣的思路上前進,整條思路都是我們互相討論、互相補充形成的。”李惕碚說。

1992年,李惕碚和吳枚正式建立了直接解調方法。與西方在上世紀70年代發展起來的復雜和昂貴的編碼孔徑成像技術相比,這種方法利用技術成熟、造價便宜的准直探測器(非成像探測器)的掃描數據,就可以實現高靈敏度和高分辨率的成像,技術優勢十分明顯。

1993年,李惕碚提出了基於直接解調方法的硬X射線調制望遠鏡的設想。這是一個“野心勃勃”的空間科學計劃:完成人類首次硬X射線成像巡天,發現大批黑洞,深入研究中子星和黑洞強引力場中的動力學和高能輻射過程。如果及時實現,中國將在一個重要的基礎科學前沿實現跨越式的發展。

赤子的“牢騷”

“即使在歐美國家，基礎 研 究 也 不 容 易 受 到 重視，需要耐心地說服政治家和出資人。他勉勵我們既要保持熱情，又要有耐心，不要過於著急”

然而,讓李惕碚沒想到的是,從提出建議到正式立項,這一等就是18年。

在為項目奔走呼吁的漫長過程中,李惕碚坦誠自己“發了一些牢騷”,項目進度一拖再拖,科學新發現的機遇一窄再窄,一位科學家的滿腔熱忱都化作了無盡的焦急和遺憾。

“中國近代很落后,我們這一代人,受到錢三強、何澤慧、王淦昌等老一輩科學家很深的影響,真正希望推動中國的自然科學走向世界前沿。”正如李惕碚所言,他的牢騷裡沒有摻雜任何個人的恩怨得失。

2010年,在王淦昌紀念文集首發式上,李惕碚在發言中深情地回憶起這位“兩彈一星”的元勛對HXMT項目關心和垂問的往事,聯想到王先生1940年就提出了探測中微子的實驗方法卻無法在中國實現,隻能無奈地“讓別人去做”,兩代科學家面臨科學機遇喪失時同樣的心痛是那麼令人動容。

李惕碚也從老一輩科學家身上汲取了克服困難的勇氣和韌勁。不管是學術爭議,還是經費得不到落實,他從來沒有放棄過。而文革期間,我國高能實驗物理的重要奠基人張文裕先生的一番教誨讓他銘記至今:“先生用自己的經歷說明,即使在歐美國家,基礎研究也不容易受到重視,需要耐心地說服政治家和出資人。他勉勵我們既要保持熱情,又要有耐心,不要過於著急。”

HXMT衛星終於在2011年正式立項,之后歷經5年艱辛,最終研制成功。雖然已從研制工作一線退下,李惕碚談到發射上天時,連說自己很緊張,“就像當年放氣球一樣,每一次發射之前都很緊張。”

隨著國外硬X射線望遠鏡陸續升空,HXMT衛星已經失去了很多新發現的機遇,但是李惕碚對這顆衛星仍然寄予很大的期待:“它還是建立在直接解調的新方法的基礎上,而且比起當年的設計,功能大大擴展了,目前是這個領域裡能量范圍最寬、分辨率最好的望遠鏡,很有希望獲得重要的結果。”

“深刻”的嚴師益友

“很多大物理學家在方程還沒有解出來 的時候，就能洞見到結果大概是什麼樣子，這就叫深刻。時間長了，就能體會到他的深刻”

在爭取HXMT立項的過程中,圍繞這顆衛星的需要,許多李惕碚的學生先后被派遣出國學習、交流、取經,他們回國后分別承擔起衛星各個關鍵部分的設計和研制重任。這一點也讓他倍感欣慰:“在這麼長的研制過程中,一支非常好的技術和科學隊伍成長起來。”

不過,這個團隊裡幾乎每一位他的學生,提到“李老師”,第一個反應就是“害怕”。

“我們怕他,主要是覺得自己還不如老師勤奮努力,在他面前感到慚愧。”HXMT衛星有效載荷總設計師盧方軍說。

“他那麼大年紀了,平常走得比你還晚,事情做得比你還快,大年初一一個人就跑到辦公室開始工作了,你說你壓力大不大?”HXMT衛星地面應用系統副總設計師宋黎明談到嚴師,不由回想起一則往事,“有一次討論,我說,目前在數據分析這個領域,我們可能是國內做得最好的。他馬上把我批評了一通,認為把眼光放在國內標准太低了,要到國際上去爭第一。他對我們要求非常高,不允許我們有半點驕傲。”

李惕碚對此也有所耳聞。“可能,我和他們除了談天文談物理,很少閑扯,顯得不太平易近人吧。有一次,我問一個學生關於她的一個同學的婚戀傳聞,結果惹得那個學生驚呼:李老師,你也關心這種八卦呀?好像我完全不食人間煙火似的。”

李惕碚和老搭檔吳枚常常因為學術問題上的分歧,吵得不可開交,隔著幾間辦公室都能聽到。雖然爭論起來互不相讓,但在吳枚看來,李惕碚是一個深刻的人。“他像很多大物理學家一樣,在方程還沒有解出來的時候,就能洞見到結果大概是什麼樣子,這就叫深刻。”

吳枚不愛聽學術報告,而李惕碚聽完后,三言兩語對吳枚一講,就能把他的注意力吸引過來。“他能從紛繁復雜、眾說紛紜之中找到要害,並知道從哪裡突破。這就好比在地裡刨白薯,他等於是把白薯刨出來、洗干淨,擱在我面前,我當然一看就知道這是好東西。”吳枚說,“我們合作得多,很多東西都是受他的啟發。”

敢挑戰愛因斯坦

經過數年的醞釀，對於宇宙的構成、起源、演化及歸屬問題，李惕碚給出了完全不同的回答

HXMT衛星團隊出色地擔負起工程組織、望遠鏡研制和科學系統建設任務,這也使李惕碚在最近十余年有機會騰出手來跟蹤宇宙學的進展。

2003年,美國探測宇宙微波背景輻射的衛星WMAP發布了宇宙組分:暗能量73%、暗物質23%、普通物質4%。當學界為宇宙學從此成為“精確科學”而歡欣鼓舞時,李惕碚則根據多年實驗觀測工作的經驗,發現其中存在系統誤差。在重新分析了WMAP的原始數據后,李惕碚於2009年公布了新的結果:暗能量68%,暗物質27%,普通物質5%。然而,挑戰權威的代價是,這個結果在國內外專業刊物上都發表不了,隻能放到網上。2013年3月,歐空局宣布了性能遠高於WMAP的微波背景衛星Planck得到的宇宙組分:暗能量68.3%、暗物質26.8%、普通物質4.9%,與李惕碚組的結果幾乎完全相同。

李惕碚說:“從WMAP和Planck的數據,我們還得到了一個更重要的結果:微波背景溫度分布的四極矩在誤差范圍內為零,它表明極早期宇宙幾乎不存在溫度和密度漲落。這不但與建立在廣義相對論基礎上的大爆炸宇宙學不相容,也完全違背了量子場論對於真空漲落的預期。”

這一次,李惕碚要挑戰的是以愛因斯坦、霍金為代表人物的宇宙學標准模型。在這個深入人心的主流模型中,宇宙誕生於一次大爆炸,將在不斷地加速膨脹中最終走向大撕裂。“愛因斯坦在提出廣義相對論的時候,隻知道有物質,不知道有暗能量,整個宇宙隻有相互吸引的力,沒有相互排斥的力,所以他創造的廣義相對論的引力理論適用於黑洞這樣的天體系統,卻不能用於描述宇宙。”

經過數年的醞釀,對於宇宙的構成、起源、演化及歸屬問題,李惕碚給出了完全不同的回答。不過,他指出,這種新的模型是否正確,還需要天文觀測來檢驗,按照現在的發展態勢,五到十年之內應當可以判定誰是誰非。

人類實現“超越愛因斯坦”的目標需要持續的努力。“在中國,從發展高空氣球到發射空間天文衛星,這個過程匯聚了兩代人近40年的努力。現在,通過HXMT項目成長起來的研制和科學隊伍,以及他們取得的空間探測器國產化的優異成績,也是我們實現最終的科學目標的可貴基礎。”李惕碚說。（記者 全曉書 喻菲 屈婷）