北大宗秋刚这是他的浩瀚太空

　　2020年12月，＂嫦娥＂探月计划成功取回了月壤；2021年5月，＂天问一号＂探测器顺利着陆火星；＂天宫＂空间站也在紧锣密鼓地建设之中……
　　自人类进入太空时代，中国的航天路已走过一个甲子。＂日月安属？列星安陈？＂古人曾仰望了五千年的苍穹，在现代科技下不再神秘。从＂载人航天＂到＂太空建站＂；从＂卫星上天＂到＂北斗升空＂；从＂嫦娥探月＂到＂天问落火＂。起步至今，我国航天事业已经发生了天翻地覆的变化。
　　不过，同几十年前一样，今天的航天器在太空中仍然要面对严酷的空间环境。为了让它们在太空中＂生存＂下来，科研团队需要在发射之前未雨绸缪，精心考虑大气层外可能造成致命一击的所有挑战。北大物理学院大楼里就有一个并不起眼的实验室，正在为航天器打造坚强的＂内脏＂而努力。狭小的实验室并不能限制宗秋刚教授和他的团队的雄心，因为他们的目光早已投向了地球之外的广阔世界。
　　北大官微推出全新栏目＂不一样的科学家＂，带读者＂寻访＂北大校园中的一间间＂宝藏实验室＂与它们的主人。
　　今天让我们走进北京大学地球与空间科学学院教授宗秋刚的实验室，感受他与他心中的浩瀚太空。
　　航天器的＂内脏＂在此炼成
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　　打开平淡无奇的实验室门，首先感受到的是里面忙碌的气氛，紧接着就会看到用于制作科学仪器原型机的印刷线路板和芯片，还有用整块金属加工出来的外壳，都在有限的空间里各居其位。
　　刚刚制作完成的线路板如同已经被描画好的龙，只要再加上芯片这个＂点睛之笔＂，便可以苏醒过来，成为研究地球磁暴成因的全新科研仪器的核心。
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　　宗秋刚教授的办公室看上去像是一座小型的航天博物馆。宣示着中国掌握载人航天技术的＂神舟＂飞船，与刚刚为探月和行星探测工程立下大功的＂长征五号＂，在茶几与沙发靠背上各居其位；在大书柜的顶上，那个只能在此栖身的巨大模型正是中国正在动工兴建的＂天宫＂空间站，精致的模型能让访客们＂预览＂它完工服役时的模样。至于一枚刚刚从国际邮包里取出来的奖章，则一时找不到陈列的位置，暂且与科研文献挤在储物柜上狭小的空间里。它是由国际日地空间委员会颁发的杰出科学家奖，以奖励宗秋刚在识别粒子加速机制和统一空间等离子体中基本磁结构方面取得突破，以及25年来对空间物理学做出的突出贡献。
　　仅通过参观这些挤满办公室的收藏品和角落里的奖章，访客们也大致能猜到宗秋刚多年来深耕的研究领域，还有他与中国航天事业之间的联系。在我们采访的时候，办公室斜对门的两间实验室里，他的团队正在为形形色色的航天器打造＂内脏＂，也就是研制这些航天器上搭载的科学载荷。虽然我们很少在有关航天发射的新闻中看到它们的模样，但正是因为这些仪器的存在以及它们太空中的稳定发挥，耗费巨资发射升空的航天器才不至于成为徒有其表的＂空空皮囊＂。
　　打开平淡无奇的实验室门，首先感受到的是里面忙碌的气氛，紧接着就会看到用于制作科学仪器原型机的印刷线路板和芯片，还有用整块金属加工出来的外壳，都在有限的空间里各居其位。在他的工作台旁边，一扇厚重的铁门被牢牢锁住，门上挂着＂禁止入内＂的标志，处理芯片的关键步骤正是在这个超净间中完成。
　　与实验室相隔不远，在团队使用的会议室里两个普通得有些简陋的铁柜，陈列着一件件科学载荷的原型机。因为发射条件的限制，这些原型机并不能直接随着航天器升入太空，而是作为＂模板＂提交给拥有制造资质的单位。就在这场采访进行的时候，它们的成品已经随着＂风云＂系列气象卫星和＂北斗＂导航卫星，持续地探测着地球磁层中不同区域的能量粒子。
　　航天器上天后要面对的是复杂多变的空间环境，能量在百keV以上的带电粒子被地球磁场束缚在一定的空间范围内形成地球辐射带，大约98%的航天器都运行在这个区域。这些高能粒子可以穿透航天器的屏蔽层，在航天器内部引起深层介质充电，损坏电子系统，甚至导致航天器完全失效。不时发生的太阳爆发活动将大量的物质抛射到行星际空间，形成太阳风，到达地球附近的太阳风撞击地球磁层，引起地球空间剧烈扰动产生大量高能带电粒子。
　　宗秋刚解释说，太阳风扰动磁层的过程，就像屈原在《九歌·河伯》的开篇所写的那样：＂与女游兮九河，冲风起兮横波。＂（我和你畅游在九河上，大风吹过河上起波浪。）太阳风的＂吹拂＂，最终成为高能粒子被加速的动力。
　　而他与团队的研究工作，就聚焦于这些有可能威胁航天器安全的＂杀手电子＂以及它们的产生机制，做好预警和防护工作从而使航天器拥有坚强的＂内脏＂。
　　＂做科研先要沉下心来＂
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　　＂对于习惯了昼夜分明的人来说，经历极夜有可能给心理上造成巨大的挑战。很多人会因为持续的暗夜而沮丧，科研人员却由一定优势，就是我们对自己的目标更为明确，就更不容易受到外部环境的影响。＂
　　在方向确定之后，沿着这条路走下去，便一定会有收获。这样的信念与科研经历，也塑造了他的实验室如今的气场。
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　　宗秋刚与航天器的科学载荷之间早在30多年前就已经结下缘分。大学毕业之后，他进入中国科学院空间科学与应用研究中心（现在的国家空间科学中心），又在上世纪80年代末前往南极洲，参加了中山站的建设。当时，中国的第一个南极考察站长城站已经投入使用，但它位于南极半岛上所谓的＂亚南极地区＂，处在南极圈之外，而中山站则建在南极圈以内。他此行的任务是参加科考站的建设工作，并在竣工之后留下参加越冬科考。他的主要科考任务是在第22个太阳活动峰年，也就是太阳黑子数量达到极大的年份，研究太阳活动对地球磁层的影响，重点关注极区的极光现象。
　　夜晚的极光如同天空中垂下的帘幕，让宗秋刚在惊奇之余，也对极光只有绿色感到困惑，因为这与科普书上的描写并不相同。不过，促成这幅美景的太阳风，还有引起极光不同颜色的奥秘，吸引着他不断探索空间中的各类粒子，一直走到了今天。
　　随着科研履历的增长，宗秋刚越来越深刻地领会到＂专心做好一件事情＂的价值。在方向确定之后，沿着这条路走下去，便一定会有收获。这样的信念与科研经历，也塑造了他的实验室如今的气场。他培养研究生的一项重要内容，是强化他们对待科研的认真程度，引导他们学会沉下心来，在取得成果之前耐得住寂寞。
　　在宗秋刚看来，能够做到坚守初心，抵御外界纷繁芜杂的诱惑其实并不容易。1994年，他前往德国留学前夕，在歌德学院（德国设立的驻外德语教学和文化传播机构）学习德语和德国文化。他的同学里有一位中国台湾同胞，利用业余时间给人组装计算机。在当时的中关村，能自行购买零件并组装计算机，是一个令人羡慕的技能，也是一种有利可图的＂高科技产业＂。这位台湾同胞试图说服他放弃学术，一起创业去赚组装计算机的快钱。但德国文化中对认真与专注的崇尚，已经深深打动了宗秋刚。他婉拒了对方的邀约，踏上了前往德国马克斯·普朗克研究所追求学术精进的旅途。
　　融汇三国实验室文化
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　　德国、美国、日本，这样的学术经历，使宗秋刚得以观察3个国家的实验室文化的异同，并在培养研究生和管理实验室等方面取长补短。
　　教师在实验室里拥有船长一样的权威；而且他们有＂徒承师业＂的传统，认准了一个方向往往能一代代持之以恒地做下去。
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　　宗秋刚的导师是粒子物理学家本纳德·维尔肯。当时，他正在领导着欧洲空间局（ESA）的＂星簇＂（Cluster）卫星计划，准备发射4颗科学卫星对地球磁层进行探测和研究。人造卫星环绕地球运行的时候速度非常快，在只有一颗卫星的时候，科研人员很难甄别出是时间还是空间效应，如果用4颗距离很近的卫星同时测量，不仅很大程度上区分出时空效应，还能利用多点观测细致研究小尺度的物理过程。
　　当宗秋刚抵达德国的时候，＂星簇＂卫星的研制工作已经基本完成。遗憾的是，1996年夏天发射的时候火箭控制程序方面的错误导致了爆炸事故。宗秋刚因祸得福，跟随维尔肯完成了重新建造4颗卫星的全过程，对实施一项空间探测任务产生了非常直观而且深刻的体验。
　　德国顶级科研机构的科研文化，也成为宗秋刚宝贵的精神财富。
　　＂在德国，‘Sie sind puenktlich’（您很准时）是对一个人的上佳褒奖。德国人很重视承诺、守信和时间观念，在实验室中就更是如此，甚至可以说是学术研究要遵守的最基本的规则。如今，这也成为我的实验室的底色。我要求学生们懂得对承诺的事项与时间表负责，这是学术之路的基石。＂
　　在重视守时与约定之外，对宗秋刚触动最深的是德国科学界针对逻辑性思维的严格训练，这使德国科学家很善于在分析问题时抓住本质。在前往德国留学之前，他曾在中国科学院用大约一年时间计算地球磁层中粒子的非线性物理过程，一直没有实质性进展。有一次，他对维尔肯谈起这件事，维尔肯立刻从衣兜中拿出一份速算笔记，经过简单估算当场给出了＂不可行＂的结论。这种看上去神乎其技的能力，无疑建立在极为清晰地理解相关物理概念的基础之上。正是凭借深厚的学养，维尔肯才能在第一时间抓住问题的本质，估算出物理过程的数量级，从而减少走弯路的可能。
　　＂现在，我也引导我的学生这样思考。有些时候，在透彻理解知识与概念的基础上，做出量级的估算并找出解决问题的方向，这样可以减少试错的无用功。反过来说，如果不做定量分析，而只是定性判断，就有可能走入‘想当然’的误区。＂宗秋刚说，＂这就像汽车司机要躲避路上的行人，却不需要躲避蚂蚁。撞上行人意味着交通事故，轧过蚂蚁却无关紧要，如果我们通过估算，判断出前面目标的体型只是蚂蚁那个数量级的小虫，就不必费心去躲避。所以，建立在深入理解概念基础之上的估算，显然更节约精力。＂
　　在德国取得博士学位之后，宗秋刚又前往美国波士顿大学和日本早稻田大学访学。这样的学术经历，使他得以观察3个国家的实验室文化的异同，并在培养研究生和管理实验室等方面取长补短。日本的实验室也有自己的特色，每位拥有教授头衔的科学家都会有自己的实验室，教师在实验室里拥有船长一样的权威；而且他们有＂徒承师业＂的传统，认准了一个方向往往能一代代持之以恒地做下去。宗秋刚认为，欧美的实验室那种自由而活泼的氛围是另一种理想的状态。因为在他看来，每个人的思维与知识体系都会有局限性，即使杰出的科学家也不例外。在探索未知的过程中，发挥团队里每个人的长处更为重要。能够充分开展学术讨论的实验室环境，可以使研究团队更快地找到解决方案。
　　＂在学术争论中，想要说服特定的人是很难的，争论往往会非常激烈，但这样的氛围反而有助于新的突破。每当争论僵持不下的时候，我便会想起当年在德国受到的学术训练。让别人接受自己的观点或是理论，并不能只是给出猜想，而是要用分析与实验加以证实，才可以真正令人信服。＂
　　＂大宇航时代＂需要＂新人＂
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　　＂如今，人类考察其他星球的宜居性并尝试前往定居成为一种大趋势。＂
　　＂天问＂落火,＂祝融＂启航。这标志着中国打破了美国在火星着陆探测方面的垄断。在探测火星的热潮中，势必会呼唤功能更为强大的探测器，全新的科学仪器也必将应运而生。
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　　无论是在研究中重视定量分析，还是营造鼓励充分讨论和用实验结果说话的实验室文化，都是因为为航天器研制科学载荷的工作是一条不断辗转迭代、螺旋上升的登攀之路。每一次航天探索的成就，都会加深人们对太空环境的理解；而这些新的知识，又会影响新仪器的研制方向，使人们有希望了解得更多。
　　探索前人未知的领域，难免会走不少弯路。为了实现对地球磁层空间的高时空成像，宗秋刚的实验室正在研制过一种全新概念的粒子探测装置，称为＂千线阵列成像仪＂。以往的探测装置采用的是单一小孔成像的原理，而＂千线阵列成像仪＂是一种32 32的探测矩阵。针对探测矩阵中设备的接线方案，宗秋刚与团队做了很长时间的思考；但在真正上手之后，他们才发现殚精竭虑想出的方案会给探测装置带来很高的＂背景噪声＂，就像低端数码相机在夜暗中拍摄的照片上会有驳杂的色点一样，很影响数据的质量。于是，他们只能重新进行设计和实验，经过几个月的反复测试之后，方才找到实现预期功能的解决方案。他们正在寻找合适的机会让新研制的仪器上天一展身手。
　　对于已经顺利升空并取得科研成果的仪器，随着太空探索的进展而不断迭代，在帮助人类不断揭示太阳系里诸多谜团。比如地球何以演化成为今天的样貌，与地球相邻的金星为何拥有极为恶劣的环境，以及火星是否可能在未来成为人类的第二个家。
　　就在不久之前，中国的＂天问一号＂火星探测器经过漫长的太空飞行，成功降落在火星表面并释放出了名为＂祝融＂（中国古代传说中的火神）的火星车。这标志着中国打破了美国在火星着陆探测方面的垄断。在探测火星的热潮中，势必会呼唤功能更为强大的探测器，全新的科学仪器也必将应运而生。
　　＂重返月球并设立科考基地只是第一步。虽然月球并没有接纳大批移民的潜质，却提供了真空和低重力的环境，可以让人们在距离地球不远的地方探索在异星‘扎根’的种种可能性。＂
　　宗秋刚不仅乐于跟学生们讨论定居异星的话题，还会布置一些独特的作业，比如为下一艘类似于＂旅行者一号＂那样的恒星际探测器选择向地外文明宣传地球的素材，针对环境条件各异的＂移民候选星球＂设计定居点，以及设计拥有人造重力的太空居住站。他认为，既然学生们要面对这样的未来，就需要及早做好迎接它的准备。
　　回到宗秋刚的办公室时，开门的风激起了一阵哗啦啦的响声。原来在门边的几排挂衣钩上挂满了上百个各色的学术会议胸牌，上面用不同的语言写着会议召开的时间和主题。宗秋刚说，这些胸牌如同他的日记本，无暇写日记的他只要翻看它们，就可以回想起在学术会议上收获的新知与启迪。在我们看来，这些胸牌更像是卸去所有雕饰的奖章，彰显着宗秋刚30多年来的耕耘和成就，也激励着我们这些站在＂大宇航时代＂潮头的新人们。
　　人物介绍
　　宗秋刚，北京大学地球与空间科学学院教授，北京大学空间科学与探测中心主任，北京大学空间物理与应用技术研究所所长，北京大学行星与空间科学研究中心主任，国家国务院特殊津贴专家，亚洲大洋洲地球科学学会(AOGS)日地科学（ST）分会主席。主要研究方向是磁层物理、空间天气学和空间探测。曾获中国国家自然科学进步奖二等奖、美国宇航局局长签署的＂Cluster 科学作出突出贡献＂证书、欧洲空间局颁发的＂杰出科学家＂奖、国际空间研究委员会(COSPAR)和印度空间研究组织(ISRO)联合颁发的Vikram Sarabhai金质奖章等重要奖项。
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