德州老鄉張同傑:率團用「天河二號」揭秘宇宙137億年演化歷程

　　宇宙究竟是如何形成的？為了了解清楚137億年來整個宇宙發展的歷史，尤其是在中微子和暗物質同時存在的情況下，整個宇宙中的結構是如何形成的這種「天演論」式的問題，北京師範大學天文系張同傑教授的研究團隊已經在全球最先進的超級計算機「天河二號」上成功模擬了整個宇宙的演化歷程。

　　這一利用超級計算機進行科學研究的事件，受到中央電視臺等媒體的報導，引起強烈反響。

　　張同傑1968年生於德州夏津，現任北京師範大學天文系教授、博士生導師。1999年畢業於中國科學院上海天文臺，獲天體物理學博士學位，研究方向為標準宇宙學的理論和觀測效應以及高精度計算機數值模擬。2006年起率團隊利用哈勃參量數據對宇宙學模型進行限制，為國際首創。

　　德州日報曾經對這位傑出的德州老鄉進行專訪。張同傑說，他很感激母校德州學院對他的培養，感謝家鄉的媒體對他的關注。「我願意為家鄉的天文教育及科普工作做更多的貢獻。」張同傑表示。如今，在他的推動下，有兩次宇宙學國際會議在德州學院成功舉辦。

　　德州日報報導

　　願與更多人一起仰望星空

　　——記北京師範大學天文系教授、博士生導師張同傑

　　「上下四方曰宇，往古來今曰宙。 」宇宙以其浩瀚、神秘，持續吸引著人類探索的目光，北京師範大學天文系教授張同傑即是其中佼佼者。去年5月，他率團隊利用「天河二號」超級計算機成功完成了3萬億粒子數的宇宙中微子和暗物質數值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之後至今約137億年的漫長演化進程。這項研究領先世界，引發學術界極大關注。

　　不久前，記者來到北京師範大學天文系。不足10平方米的房間擁擠、侷促，角落裡堆滿雜物，桌面上散落著一沓沓英文資料，小沙發上還有沒疊好的被子——若不是門上有名牌，記者很難想像，張同傑的目光與思維就是從這裡出發，穿越無盡時空，帶回關於宇宙的秘密。

　　寒門少年曲折求學 「偶遇」天文步入新天地

　　「宇宙是無比巨大的，舉個簡單的例子，我們現在看到的太陽實際上是8分19秒前的太陽，因為光要用8分多鐘才能走完這段距離。而我們目前能觀測到的最遙遠的星系距離地球130多億光年，光130多億年會走多遠？」聊起宇宙，張同傑嚴肅的面孔變得生動起來，眼神中閃爍著光芒。

　　張同傑投身天文學源於一個偶然契機。1986年下半年, 被德州師專（現德州學院）物理系錄取的他因為學校無教室，便在老家等待正式入學通知。閒暇之餘讀到了一些關於天體物理研究的報導，對天體物理產生了興趣。直到1993年，張同傑正式被中國科學院上海天文臺錄取為碩士研究生，正式開始他的天體物理研究。

　　雖說偶然，卻與張同傑「最初的夢想」一脈相承。 1968年，張同傑出生在夏津縣東李鎮鄒莊村，家境貧困，他進入校園時，「學好數理化，走遍天下都不怕」這一金句正流行。受此影響，張同傑數理化成績一直不錯，尤以數學為佳。與此同時，張同傑經常聽一檔名為「科學知識」的科普電臺欄目，這也促使他萌發了第一個人生夢想——成為一名科學家，這與身邊很多同齡人一樣，但不同的是，他成為了堅持到了最後的少數人之一。

　　1983年，初中畢業的張同傑考入平原師範學校讀中師。「這是一個現實的選擇，我當然更想讀高中，然後考大學。但中師是我們這些農村孩子擺脫黃土、獲得工作的最快途徑，我要儘快承擔起家庭責任，為父母分憂，再另闢通往夢想的道路。 」張同傑回憶說，「中師不分文理科，而且開設高中沒有的音體美等課程，學得比較全面，這是優點；缺點是全而不深，最大的不足是不開設英語課，後來我為此吃過不少虧。 」

　　這期間，張同傑有過迷茫：是不是一生的理想會就此破滅？壓力之下，張同傑一年級時學習成績並不好，卻在不停尋覓提升的機會。命運沒讓他等太久，一年級期末，張同傑看到有三年級生經學校推薦參加高考。「我感覺機會來了。從那時起，我在學業上付出了更多的努力。」兩年後，張同傑考入德州師專（現德州學院）物理系。

　　這一階段，張同傑將升本及考研列入目標清單，但過程並不順利。 1988年，他升本考試落榜，是英語拖了後腿，隨後便迎來畢業，經分配成為一名中學老師。

　　「落榜後我一度頹喪，後來成為德州學院院長的賀金玉老師給予我點撥，父母也一直鼓勵我，這讓我重新振奮起來。」張同傑邊教書，邊學習，利用一切機會提升自己，1990年他去往山東省教育學院（現齊魯師範學院）脫產進修兩年，拿到本科學歷。

　　為打敗「老對手」英語，張同傑可謂費盡心血，更是因為無人指導走了太多的彎路，不過如今他已能熟讀英文著作，並用英文撰寫論文、與國外同行交流。

　　「命運一定不會辜負堅持不懈的人，若回報還沒到來，不妨耐心些。」張同傑對這句話深有感觸。

　　1993年，經歷多次考研失敗的張同傑考取中國科學院上海天文臺的研究生，跟隨天體物理學家宋國玄研究星系計算機數值模擬，跟隨被稱為中國「蟲洞之父」的宇宙學家沈有根一起研究量子宇宙學、黑洞和蟲洞等，並且一鼓作氣，於1999年拿到天體物理博士學位。

　　博士畢業後，張同傑成為北師大天文系的老師。之後，張同傑分別去往加拿大理論天體物理研究所訪問，到美國亞裡桑那大學進行博士後研究。 2014年，張同傑作為高級訪問學者分別到美國加州大學伯克利分校天文系和勞倫茲國家實驗室訪問。可以說，偶遇天文讓張同傑步入全新天地，給他的人生指明了方向。

　　執著追溯宇宙起源 探尋世界的奧秘

　　宇宙在普通人眼裡僅僅是一個空泛的概念，對它的理解更多來源於想像與科幻作品，而在科學家眼裡則蘊含著一門嚴謹的科學。張同傑的研究方向正是宇宙學，是天文學中天體物理學的一個分支。在多個研究領域，張同傑都頗有建樹。「遙遠的天體發出的光，經星系、星系團或宇宙大尺度結構到達望遠鏡的過程中，由於引力場的作用會發生引力偏折，造成該天體可能會形成幾個像，此為引力透鏡效應。如果這個天體是一個星系，大尺度結構引力場的擾動就會使星系的形狀發生變化，這就是弱引力透鏡效應。」張同傑說，「弱引力透鏡效應是一種直接探測宇宙空間物質分布的重要工具。通過觀測分析星系形狀隨其位置的系統變化，我們可以得到弱引力透鏡信號的空間關聯函數，從而得到物質分布的空間關聯函數，以及宇宙幾何尺度的演化歷史，這讓我們對宇宙的理解更加深刻。」張同傑和其研究生這方面研究成果在國際著名刊物《天體物理》雜誌上發表後被廣泛引用。

　　2006年以來，張同傑帶領團隊持續研究一項國際前沿問題，即利用哈勃參量數據對宇宙學模型進行限制。在他們做這項工作之前，美國有一個小組通過利用星系的年齡而得到的數據，對標量場的勢進行了限制，但是並沒有把這批數據用在宇宙學參量的限制上。「宇宙學參量就是指宇宙中物質佔多少暗能量佔多少等數據情況，我們是國際上第一個把這批數據應用在宇宙學參量限制上的科研團組，現在國際上很多研究同行都在關注我們這項工作的成果。 」

　　去年5月，一則新聞引發國內外科技界廣泛關注：「天河二號」完成3萬億粒子數的宇宙中微子和暗物質數值模擬，成功推演宇宙137億年的歷史，製作出史上最強「宇宙大片」。主持這一項目的宇宙中微子數值模擬團隊正是由張同傑領銜。

　　這是一次世界範圍內史無前例的超級計算，比美國阿貢國家實驗室的米浪（Mira）超級計算機2014年進行的1.07萬億粒子數數值模擬超出兩倍多，創造了新的世界紀錄，其強度目前全世界只有「天河二號」超級計算機才能承擔。「我們為『天河二號』設置好參數，為了這次計算它運行了50餘個小時。它好比一架像素極高的超高速攝像機，通過上述模擬還原出宇宙清晰而漫長的演化『視頻』，使宇宙大爆炸1600萬年之後至今約137億年的漫長演化過程得以呈現。 」國際天文界認為，這一研究成果為通過天文觀測手段研究宇宙中微子及其質量打開了一扇新的大門，有望大大縮短人類探索宇宙起源與演化奧秘的時間進程。

　　不久前，伴隨著美國國家科學基金會（NSF）宣布人類首次直接探測到了引力波，這個對普通人而言非常陌生的名詞成為社會熱議話題。對此張同傑談到：「常有人問我：你的研究與思考似乎離我們很遙遠，這一切究竟有怎樣的意義？我往往這樣回答：追溯宇宙起源，探尋萬物奧秘，人類永遠有義務和責任去更深刻地認識所生存的世界。引力波的發現不僅極大推進了人類認識世界的進程，更是讓更多人理解了基礎科學的力量，借用麻省理工學院校長拉斐爾·賴夫的一句話：基礎科學的研究是艱苦、嚴格且緩慢的——但與此同時，它也是激動人心的、革命性的和具有催化作用的，如果沒有基礎科學，我們最好的猜想將不能得到任何改進。電磁波剛被發現時也被認為是無用的，但最終使人類有了無線電通信和手機。我們所做的事可以帶給人類什麼？答案是無窮的可能。 」

　　樂做「播種者」為家鄉教育、科普做貢獻

　　2008年12月，張同傑與另外兩位教授相約，自費買瞭望遠鏡、科普書籍和光碟，風塵僕僕地奔赴四川綿陽南山中學——這所中學接收了受災嚴重的北川中學100多名學生。興趣濃厚的中學生們聚精會神地聆聽著三位教授的專題報告，那一雙雙渴望知識的眼睛深深地打動了張同傑：「青少年對科學，尤其是天文學，是有濃厚的好奇心與求知慾的，科普工作對青少年影響很大，一個好的開端很可能會影響一個人的一生。 」張同傑對發達國家普遍重視科普工作非常讚賞，「即使是諾貝爾獎獲得者，每年也要花時間承擔一定的科普工作，美國航空航天局（NASA）的科普工作更是開展得非常成功。實際上，科學家、科研人員確實有責任向社會普及一些科學知識，儘管做科普對科研人員本人並沒有什麼太多的實際效用。 」

　　與其一個人「仰望星空」，張同傑更想做一名「播種者」，願意與世界一起，分享宇宙的美麗與神奇。平時教學、科研任務繁重的張同傑，總是儘可能多地參加一些科普活動。

　　在張同傑辦公室的書架上，兩個刻有「德州學院」字樣的黑陶擺件十分顯眼，張同傑說，他很感激母校的培養，如今與德州學院聯繫非常密切，在他的推動下，曾有兩次宇宙學國際會議在德州學院召開。「目前德州學院雖沒有天文系，但天文科研力量很強，已經有5位中科院畢業的天文學博士任職，今後我們之間還會有更深入的合作。 」

　　如今的張同傑，已是頗有聲望的天文學家，不過他仍保持著對科學的純粹熱愛，不求名利，低調質樸，對物質生活無甚要求。他說：「我始終記得自己是農民的兒子，我忘不了質樸的魯西北平原對我的養育之恩，如今德州已是融入京津冀協同發展城市，我期待著有機會為家鄉做些事情。 」

　　就在今年1月，北京天文館館長朱進、科普部主任寇文與張同傑等一行四人，受德州市教育局邀請來德州多所中小學考察，就籌建天文實驗室、開展天文科學普及、開發天文校本課程等進行交流並初步達成合作意向。張同傑表示，全國中學生天文奧賽、天文夏令營冬令營、「仰望星空快樂成長」科學探索等系列活動，在很多大城市開展得很火爆。其中，在天文奧賽、天文營中的成績，已成為一些大學天文專業自主招生降分的重要條件。開展天文教育，不僅能激發學生探索宇宙的好奇心、想像力，培養了學生的科學素養，而且拓展了學生上大學的渠道。「我願意為家鄉的天文教育及科普工作做更多的貢獻。」張同傑說。