拥抱第4种物质形态

李晓文

以人类现有的科技水平来说，要想在茫茫的宇宙中长期生活、工作，必须依赖于空间站——一种在近地轨道长时间运行的载人航天器。而在航天员“歇息”的时候，一些特定的、需要在空间站“微重力”的环境下进行的科学实验就没有停止过。自前苏联1971年发射了人类历史上首个空间站“礼炮一号”之后，空间站上的科学实验一直在进行。

我国预计会在2020年左右建成空间站，而这个尚未建成的太空家园承载着许多科学家的科研规划。东华大学物理系特聘研究员杜诚然，就是其中的一员。他说：“我国的空间站将成为空间科学和多种新技术研究实验的重要基地，希望有机会能在空间站微重力环境下进行复杂等离子体实验。”

关于复杂等离子体，杜诚然做了一个简单的介绍：物质在固态、液态和气态之外，还有第4种形态，存在于宇宙空间中，那就是等离子体。通俗地说，如果对气体进一步加热，使其发生电离，就能产生等离子体。“我们在等离子体中引入宏观尺度的尘埃颗粒，组成一种更加复杂的混合粒子系统，就形成了复杂等离子体。在微重力环境下，所形成的系统将更加接近自然界中传统物质的性质。可以说，复杂等离子体系统将各个不同的经典物理学科（包括等离子体物理、流体力学、凝聚态物理等）有机地结合在了一起，尤其是对于传统物质的基础研究更有着不可估量的意义。”

两次交换生开启科研之路

杜诚然的科研之路，是从当交换生开始的。

2005年8月，正在上海交通大学读大三的杜诚然被学校选中，去新加坡国立大学进行一个学期的交换学习。在新加坡的一个学期，杜诚然进入了实验室，开始接触实验研究。随后，他又公费去德国的萨尔布吕肯大学交换了一学期，这一次，他学会了德语。在德国交换期间，杜诚然也和在新加坡时一样，在实验室工作过一段时间。这两个学期的交换生生涯让杜诚然见识到了国外的科研氛围，看到了与国内不同的科研与教学方式，他认识到，这个时候国外的科研和教学环境要优于国内。因此，本科毕业后，杜诚然决定去德国慕尼黑工业大学继续深造。

“可能是因为之前在德国做过交换生，德语也还熟练，所以我在学校融入得很快，一个月的时间，我已经能在感兴趣的实验室里做一些简单的工作。”杜诚然说：“我对选择科研方向特别谨慎，先后在3个实验室实践之后，我才最终决定了研究方向——在德国马普学会地外物理研究所研究复杂等离子体。”

研究生期间，杜诚然所做的第一个实验就是关于复杂等离子体中微粒凝结过程的研究。由于微米量级颗粒在等离子体环境中与电子流和离子流相互作用下能够带有极大的电荷，国际上普遍认为在等离子环境中带同种电荷的颗粒凝结是不可能的。而杜诚然通过实验研究尘埃声波与带电微粒的相互作用，在国际上首次提出利用自激发波的方法克服颗粒间的屏蔽排斥相互作用势从而实现大尺寸颗粒的凝结，并开创性地使用长距显微镜直接观测悬浮于等离子体中的凝结体的结构，实验结果发表于PhysPlasmas上，文章被多次引用。

此方法被美国Baylor大学、法国国家科学研究院CNRS等多个科研机构的科研团队所采用，研究结果对理解宇宙中星体的形成过程有着重要的意义。

对于初涉科研之路的杜诚然来说，这是很高的评价了。而这些，当时的他并不知道。“这是我研究生时候做的第一个实验，当时对自己的成果根本没有清醒的认识，真的没想到会有这么大的反响。”杜诚然诚说道。

“微重力”带来“大成果”

这个实验给杜诚然的科研之路上演了一出“开门红”，也给了他更大的信心。随后，杜诚然开始参与第三代國际空间站复杂等离子体实验室PK-3Plus的工作，负责后期实验数据的分析工作。

在分析这些数据的时候，他发现了一种尘埃颗粒团簇穿越另一尘埃颗粒团簇而导致的“行”形成过程的记忆效应，这在国际上尚属首次。他说：“在分析这种在空间或时间上具有某种规律性的非均匀宏观结构时，我通过将空间站中的微重力实验与地面实验室中的高分辨率实验数据以及使用GPU并行计算技术获得的模拟计算结果进行比较，发现了非相加性对于‘行结构的形成过程有着重要的影响。”关于这一实验的相关研究结果最后发表于EurophysLett.等国际期刊上，其中，在New JPhys上发表的综述论文被英国物理协会IOP选为“Hightlight of 2012”。

杜诚然介绍，在国际空间站上复杂等离子体实验室PK-3 Plus上进行的实验是德国和俄罗斯两国的合作实验项目，每次任务前都由两国科学家讨论决定具体的实验方案并上传到国际空间站。实验期间，两国科学家在莫斯科近郊科罗廖夫的国际空间站控制中心，直接与在轨宇航员一起操作和监控实验。任务结束后，所储存的实验数据被宇航员带回地面并送往马普学会和俄罗斯高温联合研究所进行分析。杜诚然说：“整个流程是非常复杂的，牵涉到多个方面，而在多年的前期工作之下，才最终产生了大量的实验数据。而我只是在分析这些数据的时候发现了这一成果，严格意义上来说不敢居功。”

虽然杜诚然不以该成果为傲，但自然有人慧眼识英才。2012年，在PK-3 Plus行将退役之时，杜诚然开始参与由欧洲宇航局主导的第四代在轨国际空间站复杂等离子体实验室PK-4科学装置的测试开发，在波尔多参与德国宇航中心（DLR）第20次抛物线实验任务。

2014年，在马普学会地外物理研究所工作的杜诚然决定回国。“这不仅是因为家人在国内，也是因为我国空间站微重力环境下的自然科学实验研究刚刚起步。我希望自己在这方面的经验可以提供一些思路和想法，做一点绵薄的贡献。”

在2014年成功发射的PK-4的开发研究中，杜诚然作为科学专家组成员参与实验规划及数据分析，并参与下一代国际空间站复杂等离子体实验室PlasmaLab的硬件开发和测试（包括抛物线飞行微重力测试）。在我国空间站行将建成之时，杜诚然的经历弥足珍贵，将为我国建造复杂等离子体实验室乃至为我国复杂等离子的发展提供宝贵的经验。

在国外的这些年，杜诚然的学习、工作方式或多或少的被“同化”。他说：“本科的时候我经常一个人学习到晚上十一二点。刚去德国的时候，我觉得那里的人很‘不务正业，经常聚在一起闲聊。”杜诚然笑笑，继续说道：“后来发现很多科研思路就是在这种讨论中展开的，比一个人窝在屋里做研究更有效率。因此回国之后我也不像以前一样喜欢一个人加班加点，反而更喜欢出去跑步、做做运动，花更多的时间与同事及学生讨论问题。”

作为一个上海人，杜诚然在回国之后首选家乡，作为特聘研究员加入了东华大学。他说：“东华大学有一个非常好的特点，就是它可以包容在短期内难以取得结果的研究，鼓励需要大量时间积累的基础性研究。我觉得这个真的很好，对我来说很重要。”

在东华大学，杜诚然带着5个研究生。对待学生，杜诚然鼓励他们独立思考。“当我们出现分歧的时候，他们经常提出不同的观点，这样很好。不过他们需要在思考的深度上下功夫，我要的不仅是不同的观点，而更应该是有深度的思考。”杜诚然说，在带学生上面他还是新手，还在摸索最适合的方法。

现在，对于杜诚然来说，最要紧的事应该就是关于二元准二维复杂等离子体的慢动力学过程的研究。这项研究杜诚然已经进行了五六年，现在终于告一段落，研究结果已投稿Phys，Rey，Lett。

除此之外，最令杜诚然挂心的当属2020年将要建成的中国空间站了。在空间站建成之前，他会一心专注于重力条件下的基础研究，“只希望将来能够有机会在空间站上进行复杂等离子体实验”