中国首颗X射线天文卫星“慧眼”背后的“灵魂人物”

　　李惕碚:科学路上的“少数派”

　　他头发半白,身材瘦削,骨子里却常常要和西方主流的学术观点“唱唱反调”；他言语温和,还常常爱笑,自己也奇怪学生们为什么对他个个言怕；他衣着朴素,骑着一辆破旧的自行车在校园里穿梭,脑袋里却思考着宇宙起源和结局这样的大问题……

　　他就是中国科学院院士、中科院高能物理研究所研究员、清华大学教授李惕碚,中国首颗X射线天文卫星“慧眼”背后的“灵魂人物”。

　　“慧眼”全称硬X射线调制望远镜卫星(简称HXMT),于15日发射升空。为了这颗卫星能够立项,李惕碚奔走呼吁长达近20年。他的心中装着中国自然科学发展的大图景、大目标,这注定是一条不平坦的道路。

　　哲学的启发

　　生于1939年,李惕碚还在小学时,就被马克思主义哲学迷住了。

　　新中国成立之初,全社会都在普及马克思主义,一本名叫《学习》的杂志逐期介绍了马克思主义的启蒙读物《社会发展简史》,十来岁的李惕碚一下就被吸引住了:“原来人类社会的不同阶段都可以用科学理论来解释,这简直是不可思议!”

　　少年时代的震撼让这位科学家永生难忘。就是从那一刻起,哲学的种子在他心中深深扎根,成为他漫长而曲折的科学研究之路上的一道风景,一种指引。

　　中学时代,李惕碚被量子力学中的哲学争论所吸引,决定考大学时一定要学物理系。高中快毕业时,清华大学的工程物理系刚刚开办,主攻原子能科学技术,李惕碚义无反顾地选择了这个系:“第一,研究原子能,量子力学是基础,满足了我对前沿物理和哲学的双重兴趣；第二,当时以为可以去造原子弹,为中国人争气。”

　　1957年,李惕碚步入了梦寐以求的清华校园,然而,“三年困难时期”也接踵而至。“大家都吃不饱饭。”为了理解复杂的社会现实,李惕碚花了大量的时间阅读哲学经典。

　　就在这段时间,李惕碚接触到影响他一生的书——列宁的《哲学笔记》。“这本书对我震动非常大。我也在读黑格尔、康德,但是列宁学习的方法跟我完全不一样。他在书上画了很多符号,有时写上‘胡说’,有时批注‘很好’,完全是在和作者进行平等的交流和争论。后来,我也学他的方法,在书上做笔记画符号,叉呀钩呀惊叹号,我也用这个方法来学习物理。”

　　大学时代形成的学习方法和思维习惯造就了李惕碚之后数十年科学研究的风格。他从不迷信任何学术观点,反而总是想要“挑挑毛病”。事实上,他的很多科研成果都是建立在挑战前人结论的基础上,例如在1980年代建立了银河伽马射线的统计模型,首次给出银河宇宙线产生高能伽马射线的定量估计,并指出国际普遍接受的2CG星表所发现的宇宙伽马射线点源约有一半是不真实的,经过多年的争论后,这一模型的正确性才被观测证实。

　　“我总想做一点新的东西,特别是做出跟西方主流不一样的东西,尤其是在长期的争论之后,最后证明我对了,这是特别让人愉快的事情。”李惕碚说。

　　发现新“大陆”

　　1963年从清华工程物理系毕业时,李惕碚被分配到原子能研究所云南高山宇宙线观测站,就此走上了基础研究的道路。

　　1980年,李惕碚第一次走出国门,到英国做访问学者。“当时,国内刚刚才有计算机,我要跑到科学院计算所去做计算,程序要一个孔一个孔打到纸带上去；到了英国,电脑已经有操作系统了,还有机会接触到前沿的数据。”李惕碚回忆说。

　　面对这么好的条件,同时又和非常优秀的外国学者共事,李惕碚如饥似渴地学习和工作着。不过,当节奏过于紧张时,他也找到了一种独特的排解压力的方式——看恐怖片。“当时,国内的恐怖片很少,国外的恐怖片,像吸血鬼、僵尸这类的,挺吸引人,还能转移紧张感。”

　　不过,恐怖片的桥段只是这位“不接地气”的学者为数不多的一个“趣谈”,他的脑子里大部分时间都装满了各种各样的科学问题。从英国回来后,他开始认真思考,如何让中国在高能天体物理领域赶超世界前沿?

　　在他的推动下,中科院高能所开始尝试用高空气球搭载硬X射线探测器,到大气层之上进行观测。“美国一个气球上的硬X射线仪器要花几百万甚至上千万美元,而我们的球载探测器作为科学院的重点项目,也只获得几十万人民币的支持,怎么去和美国比?”李惕碚指出,在硬X射线这个波段天体观测成像尤为困难,这是造成探测器代价昂贵的主要原因。“硬件做不起,中国人想都不要想,这就逼着我们去创造新的成像方法。”

　　于是,李惕碚和自己在科学道路上多年的老搭档吴枚研究员一起,着手在数据处理方程的海洋中开辟新的航道,想利用现有的不能成像的仪器来实现成像。“我们俩差不多在同样的思路上前进,整条思路都是我们互相讨论、互相补充形成的。”李惕碚说。

　　1992年,李惕碚和吴枚正式建立了直接解调方法。与西方在上世纪70年代发展起来的复杂和昂贵的编码孔径成像技术相比,这种方法利用技术成熟、造价便宜的准直探测器(非成像探测器)的扫描数据,就可以实现高灵敏度和高分辨率的成像,技术优势十分明显。

　　1993年,李惕碚提出了基于直接解调方法的硬X射线调制望远镜的设想。这是一个“野心勃勃”的空间科学计划:完成人类首次硬X射线成像巡天,发现大批黑洞,深入研究中子星和黑洞强引力场中的动力学和高能辐射过程。如果及时实现,中国将在一个重要的基础科学前沿实现跨越式的发展。

　　赤子的“牢骚”

　　然而,让李惕碚没想到的是,从提出建议到正式立项,这一等就是18年。

　　在为项目奔走呼吁的漫长过程中,李惕碚坦诚自己“发了一些牢骚”,项目进度一拖再拖,科学新发现的机遇一窄再窄,一位科学家的满腔热忱都化作了无尽的焦急和遗憾。

　　“中国近代很落后,我们这一代人,受到钱三强、何泽慧、王淦昌等老一辈科学家很深的影响,真正希望推动中国的自然科学走向世界前沿。”正如李惕碚所言,他的牢骚里没有掺杂任何个人的恩怨得失。

　　2010年,在王淦昌纪念文集首发式上,李惕碚在发言中深情地回忆起这位“两弹一星”的元勋对HXMT项目关心和垂问的往事,联想到王先生1940年就提出了探测中微子的实验方法却无法在中国实现,只能无奈地“让别人去做”,两代科学家面临科学机遇丧失时同样的心痛是那么令人动容。

　　李惕碚也从老一辈科学家身上汲取了克服困难的勇气和韧劲。不管是学术争议,还是经费得不到落实,他从来没有放弃过。而文革期间,我国高能实验物理的重要奠基人张文裕先生的一番教诲让他铭记至今:“先生用自己的经历说明,即使在欧美国家,基础研究也不容易受到重视,需要耐心地说服政治家和出资人。他勉励我们既要保持热情,又要有耐心,不要过于着急。”

　　HXMT卫星终于在2011年正式立项,之后历经5年艰辛,最终研制成功。虽然已从研制工作一线退下,李惕碚谈到发射上天时,连说自己很紧张,“就像当年放气球一样,每一次发射之前都很紧张。”

　　随着国外硬X射线望远镜陆续升空,HXMT卫星已经失去了很多新发现的机遇,但是李惕碚对这颗卫星仍然寄予很大的期待:“它还是建立在直接解调的新方法的基础上,而且比起当年的设计,功能大大扩展了,目前是这个领域里能量范围最宽、分辨率最好的望远镜,很有希望获得重要的结果。”

　　“深刻”的严师益友

　　在争取HXMT立项的过程中,围绕这颗卫星的需要,许多李惕碚的学生先后被派遣出国学习、交流、取经,他们回国后分别承担起卫星各个关键部分的设计和研制重任。这一点也让他倍感欣慰:“在这么长的研制过程中,一支非常好的技术和科学队伍成长起来。”

　　不过,这个团队里几乎每一位他的学生,提到“李老师”,第一个反应就是“害怕”。

　　“我们怕他,主要是觉得自己还不如老师勤奋努力,在他面前感到惭愧。”HXMT卫星有效载荷总设计师卢方军说。

　　“他那么大年纪了,平常走得比你还晚,事情做得比你还快,大年初一一个人就跑到办公室开始工作了,你说你压力大不大?”HXMT卫星地面应用系统副总设计师宋黎明谈到严师,不由回想起一则往事,“有一次讨论,我说,目前在数据分析这个领域,我们可能是国内做得最好的。他马上把我批评了一通,认为把眼光放在国内标准太低了,要到国际上去争第一。他对我们要求非常高,不允许我们有半点骄傲。”

　　李惕碚对此也有所耳闻。“可能,我和他们除了谈天文谈物理,很少闲扯,显得不太平易近人吧。有一次,我问一个学生关于她的一个同学的婚恋传闻,结果惹得那个学生惊呼:李老师,你也关心这种八卦呀?好像我完全不食人间烟火似的。”

　　李惕碚和老搭档吴枚常常因为学术问题上的分歧,吵得不可开交,隔着几间办公室都能听到。虽然争论起来互不相让,但在吴枚看来,李惕碚是一个深刻的人。“他像很多大物理学家一样,在方程还没有解出来的时候,就能洞见到结果大概是什么样子,这就叫深刻。”

　　吴枚不爱听学术报告,而李惕碚听完后,三言两语对吴枚一讲,就能把他的注意力吸引过来。“他能从纷繁复杂、众说纷纭之中找到要害,并知道从哪里突破。这就好比在地里刨白薯,他等于是把白薯刨出来、洗干净,搁在我面前,我当然一看就知道这是好东西。”吴枚说,“我们合作得多,很多东西都是受他的启发。”

　　敢挑战爱因斯坦

　　HXMT卫星团队出色地担负起工程组织、望远镜研制和科学系统建设任务,这也使李惕碚在最近十余年有机会腾出手来跟踪宇宙学的进展。

　　2003年,美国探测宇宙微波背景辐射的卫星WMAP发布了宇宙组分:暗能量73%、暗物质23%、普通物质4%。当学界为宇宙学从此成为“精确科学”而欢欣鼓舞时,李惕碚则根据多年实验观测工作的经验,发现其中存在系统误差。在重新分析了WMAP的原始数据后,李惕碚于2009年公布了新的结果:暗能量68%,暗物质27%,普通物质5%。然而,挑战权威的代价是,这个结果在国内外专业刊物上都发表不了,只能放到网上。2013年3月,欧空局宣布了性能远高于WMAP的微波背景卫星Planck得到的宇宙组分:暗能量68.3%、暗物质26.8%、普通物质4.9%,与李惕碚组的结果几乎完全相同。

　　李惕碚说:“从WMAP和Planck的数据,我们还得到了一个更重要的结果:微波背景温度分布的四极矩在误差范围内为零,它表明极早期宇宙几乎不存在温度和密度涨落。这不但与建立在广义相对论基础上的大爆炸宇宙学不相容,也完全违背了量子场论对于真空涨落的预期。”

　　这一次,李惕碚要挑战的是以爱因斯坦、霍金为代表人物的宇宙学标准模型。在这个深入人心的主流模型中,宇宙诞生于一次大爆炸,将在不断地加速膨胀中最终走向大撕裂。“爱因斯坦在提出广义相对论的时候,只知道有物质,不知道有暗能量,整个宇宙只有相互吸引的力,没有相互排斥的力,所以他创造的广义相对论的引力理论适用于黑洞这样的天体系统,却不能用于描述宇宙。”

　　经过数年的酝酿,对于宇宙的构成、起源、演化及归属问题,李惕碚给出了完全不同的回答。不过,他指出,这种新的模型是否正确,还需要天文观测来检验,按照现在的发展态势,五到十年之内应当可以判定谁是谁非。

　　人类实现“超越爱因斯坦”的目标需要持续的努力。“在中国,从发展高空气球到发射空间天文卫星,这个过程汇聚了两代人近40年的努力。现在,通过HXMT项目成长起来的研制和科学队伍,以及他们取得的空间探测器国产化的优异成绩,也是我们实现最终的科学目标的可贵基础。”李惕碚说。（全晓书 喻菲 屈婷）