我是2005年从中国科学技术大学来到中国科学院高能物理所攻读理论物理博士学位的。2006年夏天,在中科院研究生院为期一年的课程学习之后,我正式加入了张新民研究员的“粒子宇宙学”课题组。
从1996年刚从美国学成回国时,张老师就开始组建我国粒子宇宙学的研究团队,致力于极小与极大、粒子物理和宇宙学的交叉研究。这种天文学和物理学不同学科的交叉研究的重要性,今天已被大家广泛认识并接受,但那时候在中国国内研究者寥寥无几,还是一个非常冷门的学科。国家天文台的秦波研究员发表在《现代物理知识》上的文章反映了当时的状况:“10 多年前, 当国内物理学家和天文学家聚集一堂在北京召开宇宙学会议时,使用的语言彼此难以理解,当时武向平为此作了语惊四座的尖锐发言。黄涛先生在大会总结时不得不发明了‘张新民的宇宙学’(物理学家) 和‘武向平的宇宙学’(天文学家) 来加以区分,以至成了圈内的典故。”
据我的大师兄李明哲回忆,那时候张老师就带着一个博士后(林文斌)和三个研究生(黄东浩、李明哲、朴云松),从最基本的宇宙学知识开始一点一滴地讨论,一边学习,一边对宇宙学的重大问题进行思考和探讨。
李明哲清晰地记得,他刚进所时,张老师天天带着大家讨论当时的热点问题,即冷暗物质模型在小尺度上成团性过大,以至于与天文观测矛盾。张老师敏锐地觉察到可以从暗物质的产生机制着手。当时流行的观点是冷暗物质是热平衡产生,他提出了非热平衡产生机制。经过一个月紧张的详细计算,发现非热产生的暗物质的确能解决小尺度上的问题。该成果发表在国际著名刊物《Physical Review Letters》上,打了一个漂亮的大胜仗。这项研究成果大大提高了我们组在国际上的声望。
我刚刚来到组里,张老师就确信我能在暗能量理论方面作一个全面的综述性研究。在他的鼓励下,在攻读博士学位期间,我全面地回顾了天文观测的背景,然后对精灵暗能量模型构造上存在的理论困难做了详细论述。由于这一理论困难,国际上针对实现精灵暗能量模型的科学研究已经成为当前宇宙学研究的热门话题。为此,我详细综述了当前精灵宇宙学的研究现状,并逐一讨论了各种可能的精灵模型所预言的丰富动力学性质和演化行为。这些内容后来发表在国际上知名的综述性杂志《Physics Reports》上。
在早期宇宙方面,张老师建议我将精灵模型应用到早期宇宙中,给出反弹宇宙的图像,有效地避免了宇宙大爆炸附近的奇点问题。我详细地研究了精灵反弹宇宙学的演化性质,并系统地计算了若干具有代表性的精灵反弹宇宙学模型的扰动。计算表明,这样一种反弹宇宙学图像可以给出与天文观测相一致的标度不变原初扰动功率谱,并且对于不同的模型,扰动谱会表现出不同的特征,这些结果都是非常有意义的。我和我的合作者们还利用最新的天文观测数据对精灵反弹模型进行了限制,发现这个模型能跟当前的观测相吻合,并且还能给出可以被不久将来的天文实验所探测的理论预言,这一工作被美国物理学会杂志《Physical Review D》以快报形式刊登发表。
张老师对物理问题的判断有着超乎常人的嗅觉,当大多数人还在挣扎于宇宙学课题本身的艰难研究时,他又给了我另一个挑战,就是如何将早期宇宙物理和粒子物理场论相结合,达到物理学统一的终极目标。于是,我欣然接受了张老师的挑战,于2007年开始结合我自身的理论优势,在统一反弹宇宙学和粒子物理场论方面做努力的尝试。最终,张老师和我,及国际合作者们共同提出了Lee-Wick反弹宇宙学模型,并构造出了反弹宇宙学中的预加热理论图像,为宇宙从原初真空涨落时期演化到由场论粒子组成的热膨胀时期提供了自洽的衔接机制。我相信这一方面的研究对将来的宇宙学理论发展会有很大的推动作用。
张老师是一个非常勤劳的人。他身体力行,几乎每天都和我们一群年轻人一起工作讨论到深夜。在过去数年如一日的科学生涯中,我们不仅在研究中得到了快乐,同时也在同行中得到了赞赏。博士期间在张老师的指导下完成的工作,让我得到了院长优秀奖和三好学生标兵等荣誉。此外,我完成的一篇文章被录入2009年中国百篇最具影响国际学术论文。要知道,这已经是我们组第三次获得该殊荣。
张老师带领的我们这个团队, 在艰难的跋涉中不停地攀登一个又一个高峰,在这一系列漂亮的“胜仗”中逐渐成长和壮大起来,团队中也走出了多名优秀的青年宇宙学家。博士后毕效军出站后,在高能物理研究所粒子天体物理中心担任副研究员,目前已是国内著名的暗物质研究专家;李明哲毕业后分别在德国海德堡大学和比勒费尔德大学做博士后,目前是南京大学的副教授;顾佩洪在意大利国际理论物理中心(ICTP)做了三年的博士后之后,目前在德国马普核物理研究所做洪堡学者;李虹现在中国科学院大科学装置理论物理中心做副研究员……张老师已经是桃李满天下了,我们这个大家庭的每个成员都奋斗在粒子宇宙学研究的最前沿。
最后,我想说,我内心最真实的感受和张老师对我最重要的影响,并不是强调我们所做的工作多么重要或者得到的荣誉多么闪耀,而是当我第一次见到他时,他对我所说的一句话:“Enjoy physics”(享受物理学)。
(蔡一夫 中科院研究生院博士 培养单位是中科院高能物理所 现在美国亚利桑那州立大学做博士后研究)
蔡一夫