在跨国合作、联合科研中培养顶尖人才队伍

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  教育国际化高校行之二
  编者按:阿尔法磁谱仪(AMS)工程是上世纪末本世纪初世界上规模最大的科学工程之一,由著名物理学家、诺贝尔奖获得者丁肇中教授领衔。山东大学程林教授团队,自2004年开始参与AMS项目,全面负责热系统的研究、设计和制造,历时7年,圆满完成任务。2011年5月,AMS被成功送往国际空间站,成为国际空间站上唯一的大型国际实验。山东大学程林教授团队为AMS的成功作出了杰出贡献,获得了国际社会的高度赞誉,也为中国大学对外进行国际科研合作树立了典范;同时也从侧面表明由国家留学基金委支持的博士和青年教师公派留学项目所取得的重大成效。为深入了解有关情况,本刊近日赴山东大学,对程林教授及其团队进行了深入采访,聆听他们讲述一路走来的点点滴滴,希望从中管窥我国高水平国际化研究队伍培养之路。
  一、跨国合作、联合科研是AMS工程必由之路,
  山大研究团队在其中发挥关键性作用
  《世界教育信息》:首先请您介绍一下丁肇中教授领衔的AMS工程及您领衔的山东大学团队参与该工程研究工作的情况。
  程林(山东大学热科学与工程研究中心主任):阿尔法磁谱仪(AMS)是目前世界上规模最大的科学项目之一,与国际空间站、大型强子对撞机和人类基因组测序并称国际四大科学工程,也是唯一永久安放在国际空间站上的科学实验,并首次开启了人类太空中的粒子实验。AMS以探测外层空间反物质与暗物质为目的,寻找宇宙的真实存在。
  AMS历时近16年,耗资21亿美元,凝聚了世界上16个国家和地区的60多所大学和研究所的600多名科学家的心血。我们知道,大型强子对撞机通过模拟宇宙大爆炸初始的情形来寻找宇宙中最基本的粒子和质量的来源,能量可以达到1000亿电子伏特,对撞时的温度是太阳表面温度的4000亿倍,这正是宇宙诞生最初的1000亿分之一秒时的温度。我们参与的AMS工程拥有与世界最大的高能物理探测器一样的性能,但它需要把一个庞大的系统缩小到足以放进航天舱的大小,技术上面临着巨大挑战。因此,跨国合作、联合科研是AMS工程的必由之路。
  山东大学研究团队领衔AMS热系统的研究、设计、制造与测试,在AMS项目中起到了关键性作用。自2004年4月参加阿尔法磁谱仪项目组,到2011年5月16日AMS由美国奋进号航天飞机送入太空,我们团队在欧洲核子研究中心工作了整整7年。
  2013年4月3日,丁肇中教授与我分别在欧洲核子研究中心、山东大学同时发布了AMS的第一个实验结果,这标志着人类探测暗物质进入了新的里程碑。
  王乃华(山东大学能源与动力工程学院副院长):AMS有6个非常精密的粒子探测器和650个微处理机,将在国际空间站上工作10年以上,而热系统则是所有这些仪器正常工作的基础,也是可以在空间站上长期进行热控制研究的唯一渠道。由于国际空间站的外表面和热环境受到beta角影响,处在经常的波动之中,而这对AMS的正常运转来说是绝对不允许的。因此,热控制系统要能保证AMS所有仪器在恒温之下工作,必要时甚至要改变国际空间站辐射板和太阳能板的方向。
  我们团队创造性地提出了一种利用周期性大温差变化和大热容介质传热动态响应特征保持探测器温度平衡的新方法。这是一种全新的思路,过去从未有人尝试。让我们自豪的是,通过在国际空间站上两年多的运行,AMS经受住了各种极端条件的考验,表现出了优异性能,完全满足了运行要求,为大科学仪器空间运行的热控制方法作出了重要的贡献。这是人类史上首次解决带电磁铁在太空中运行的温度控制问题。
  AMS升入太空之后,山东大学开始担负起热系统监控的任务。来自国际空间站的数据正源源不断地被送入山东大学的热科学研究中心,所有数据均具有原始性、唯一性和不可替代性,这意味着山东大学已经进入到了国际科学研究的最前沿。
  二、山大博士研究生参与顶尖国际科研项目,压力和挑战并存
  《世界教育信息》:参与AMS项目对中国科学家而言既是一个荣誉,也是一项挑战。在这7年里,你们经历了怎样的艰辛历程?
  程林:AMS热控制系统完全不同于人造卫星、飞船等航天器,它必须裸露在太空中,同时需要有空间站的协调,因此设计更加困难,而且过去从来没有造过,没有任何经验可以借鉴,没有任何资料和数据可以参考。AMS热控制系统主要的组件,涉及到热能、机械、电子材料等诸多高精尖学科,由中国、美国、瑞士、意大利、德国等国家的科学家共同完成,总计有32426个原器件,总共绘制了10262条基础图纸,写了1000多万字的基础报告。
  举个简单的例子。AMS各个部件都有着苛刻的重量限定,这是为了保证航天飞机能顺利发射。常见的情形是,我们已经做出了初步方案,机械设计的设计效果没有问题,性能也完全满足要求,但是因为超重,不得不再想方设法降低重量。这很困难,但是我们只能妥协,所以做了大量优化工作,尽量把系统的潜能都挖掘出来。我们一步一步设计,初步设计出来再提高一点,再想办法提高一点,几乎每一次整个方案都要再重新优化升级,从版本一、版本二一直到第十版。其间艰辛,“不足为外人道也”。
  杜文静(山东大学能源与动力工程学院副教授):对我个人而言,参加这个项目确实是一项巨大的挑战。2004年7月,我作为山东大学的第一批派出人员,和同学辛公明一起到了陌生的日内瓦城,开始了这段重要的人生之旅。作为两名博士生,参加如此顶尖的国际科研合作项目,其压力可想而知。AMS是一个大型的系统实验项目,仅一本关于AMS项目的介绍资料就超过七八百页,如何在短时间内迅速了解和熟悉AMS是我们的第一项任务。此外,在我们所从事的热控制系统设计中,所用到的数值模拟软件是美国国家航空航天局(NASA)指定的,不同于我们在国内所使用的常规流体和传热模拟软件。因此,如何在短期内学习并熟悉这个软件是我们的第二项任务。AMS受航空航天的影响非常大,所以在学习软件的基础上,又必须恶补航空航天热控制方面的知识,这是第三项任务。   当然,在人生地不熟的欧洲,生活中也会遇到一些难题。最大的难题是语言。例如,怎样和不同国家的人打交道,如何听懂不同语调的英语等等。就是因为语言上的问题,生活中时常会遇到困难。此外,昂贵的物价也是一大考验。我们工作的总部欧洲核子研究中心,正好一半在法国,一半在瑞士,我们工作在瑞士,住在法国,这是因为法国房租相对便宜。后期去的同事们也一直住在法国。我们一直坚持着节约原则。
  三、在任何大型科研计划中合作比竞争更重要
  《世界教育信息》:国际合作在AMS项目中的重要性如何?怎样正确看待联合科研中的合作与竞争?
  程林:AMS项目既是原始创新的典范,也是协同创新的典范。AMS被称为国际空间站皇冠上的明珠,又被称为太空中探测粒子的哈勃望远镜,在一个3立方米的空间和7吨的重量内汇集了目前世界上最精密的探测器和最可靠的处理器。探测器的精度能够分辨出原子与质子,处理器的速度比目前NASA太空处理器的速度快10倍,其设计与制作的难度是非常难以想象的。因此,提出在大气层以外进行粒子探测是一项伟大的科学设想,而实现它则是一项艰难的科学工程。事实上,在阿尔法磁谱仪研制的过程中,既需要不同领域的科学家与科学家之间的协作,也需要科学家与工程师之间的协作,还需要科学家、工程师与企业家之间的协作。对于这样一个人类前所未有的科学计划,合作便成为成功的基础。但怎样才能在竞争中坚持崇高,在合作中克制贪婪,却时刻考验着每一个人的忠诚与品质。
  我始终认为,科学研究具有竞争性,只有第一,没有第二。但是,任何大型科学计划的目的并不是唯一的,因此,合作比竞争更重要。
  辛公明(山东大学能源与动力工程学院副院长):AMS是个大型国际科研合作项目,除实验本身对技术的超高要求之外,对团队内部合作、各团队之间的合作与协同也有非常高的要求。每个团队主要负责各子系统的设计研制,同时又必须满足AMS系统级的统一要求以及与其接口的其他子系统的要求。这就要求团队在设计研制过程中,一方面要保证自身设计的高质量,另一方面也必须要充分考虑与各精密探测器的接口问题,并与其他团队反复沟通,最终才能形成一个完美的设计。AMS非常复杂,其实没有任何一个系统是真正独立的,每个系统都相互影响,没有合作意识,工作根本没法开展。
  我印象最深的就是AMS的例会制度。每周三都会有一次全球电话会议,忙的时候甚至一周两次;每三个月有一场全体研发人员参加的技术交流会,一般在日内瓦召开。所有问题在会上都会被讨论得非常充分,有时甚至会发生争吵,但这并不妨碍问题的有效解决。这是国际大型合作项目的特点,在做决定之前必须经过大量的集体讨论分析。这种例会效率非常高,很值得我们学习。
  竞争与合作是相辅相成的,但是诚如程教授所言,合作比竞争更重要。AMS的每一个团队都有自己的研究任务,要想很好地完成设计研究任务,一定要充分体现团队自身的竞争力,同时又必须要与其他团队尤其是相关团队搞好合作。这种合作与竞争的关系实际上从始至终都存在于AMS项目的研究过程中。我们山东大学的团队很好地做到了这一点,在与高水平团队合作过程中不断提升自身的竞争力,在与高水平对手的竞争过程中又不断深化彼此的合作。
  《世界教育信息》:那么在合作中如何适应中外文化差异呢?
  辛公明:中国人参与国际化研究,确实会碰到中外文化差异的问题。比如中国人一向主张谦虚低调,在国际合作中这种特质有时候会碰到挑战。因为你不仅仅要做出一套设计方案,还要让大家接受你的方案,所以要敢于大声把自己的想法表现出来,和他们面对面理直气壮地说服他们。
  有一个细节就是对待邮件的态度。我们原来认为邮件不是正式沟通方式,但实际上它非常正式,AMS项目里人们的日常沟通几乎都通过邮件,甚至包括订酒店这种琐事。外国人通常认为,在网络环境下,只要发了邮件,你就肯定会收到,若收不到就是你自己的责任。
  文化差异有时候会带来误会。记得有一次,我要联系某位外国人,按惯性思维就直接去他办公室找人。其实应该先打电话预约,电话里能解决的事情就在电话里解决,不能解决的才会让你去办公室。我们认为亲自去见一个人是表示尊重,但是人家认为不打招呼就去见是不礼貌的行为,这就是文化差异。
  此外,外国同行对工作和生活都是严格分开的,国内同行的工作和生活往往相互交叉。这两种方式应该说各有优缺点。我们山东大学团队在欧洲参加项目研制阶段,始终坚持共同生活在一个公寓,做到了在工作中充分发挥个性和竞争力,生活中互相关心和彼此关照。我们还邀请国外友人参加家宴,包水饺,共度春节等。程老师每次从国内到欧洲都会带很多的国内特色食品慰问大家,也让每一位成员倍感温暖。
  四、大胆锻炼新人,促进青年学者成长
  是AMS山大团队的重要使命
  《世界教育信息》:让公派出国的博士研究生参与AMS项目,对山东大学科研队伍建设和青年人才培养有着怎样的意义呢?
  程林:其实,不光是博士生,硕士生,甚至本科生我们都派出过。去年就有两个本科生参与了AMS实验,在那里做完了毕业设计。大胆锻炼新人,这是山东大学在青年人才培养上的勇气与创新。对于青年学者来说,参加AMS这种世界级科研项目,机会难得,受益终身。所以我们团队始终鼓励和支持年青人加入进来,给他们一个学习、发展和施展抱负的舞台,同时也是为了山东大学AMS团队的人才梯队建设的长远考虑,使我们的团队精神在不同年龄层继承发扬下去。
  促进青年学者成长,始终是AMS山东大学热科学团队的重要使命。截至目前,山东大学先后共有123人参加了AMS项目的工作;有23人在瑞士、意大利、荷兰等地平均工作了2年9个月;12位博士研究生在这里完成了博士论文;6位青年教师在这里开始了学术生涯……他们在留下一万余张设计图纸、数百万字技术报告的同时,也在那里留下了他们最美好的青春年华。AMS已经成为我们生活中的一部分,成为我们职业生涯的一部分,更成为我们生命历程的一部分。   罗峰(山东大学热科学与工程研究中心教师):在参加AMS项目这几年中,我在学到了许多知识的同时,也从这样一个大型国际科学计划中学到了如何做人,如何做事。在和国外学者共事的过程中,我清晰地看到学到了科学家身上的优秀品质。丁肇中教授的严谨,德国学者的较真,美国学者的诙谐幽默,中国学者的勤奋踏实等,都给我留下了深刻的印象。
  尤其是丁肇中教授,他用一言一行、言传身教给我上了一堂生动的人生课。在热真空热平衡实验中,丁教授亲自把关,对实验的每一个步骤都认真组织讨论,对每一步都谨慎仔细,不到所有专家学者都达成共识的情况下,不会轻易定下实验方案。丁教授的记忆力非常出众,在第一天提出修改的地方,第二天没有修改的话,他会毫不客气地提出批评。团队中有来自全球顶尖学校、科研机构的学者、科学家,在问题面前,作为诺贝尔奖得主的丁教授没有权威,只有对错。在会议中,经常出现有人同丁教授发生激烈争吵的情况,但正是这种良好的风气保证了实验的可靠性和安全性。
  崔峥(山东大学热科学与工程研究中心教师):参加这种国际大型合作项目,除了技术知识水平的巨大提升,我还很好地学习到如何进行国际团队协作,如何处理好竞争与合作的关系,这是在学校实验室无法学到的宝贵经验。我想,这种经验对每一个有志于从事科研的青年学者,都会有极大的帮助。作为一名山东大学派出去的博士,我为山东大学的信任、勇气和坚持感到振奋。AMS项目历时18年,山东大学也已经为其奋斗了10个年头。应该说,这十几年间,只有不断地投入、付出,却鲜有成果发表。这种坚持和期待本身就非常值得尊敬,因此,我为山东大学感到骄傲。我觉得,只有自由、热情、公平的环境,才能包容各种各样的梦想;只有每个独立的个体都得以独立,梦想才会更加鲜活;只有社会和国家承担实现梦想的勇气,每个人承担实现梦想的坚持,梦想最终的实现才会比最初设想的更加美好。
  五、未来20年内宇宙探索的重要结果
  即将在山东大学出现
  《世界教育信息》:AMS的成功,离不开程教授您和您的团队不懈的努力,也为您和您的团队带来了很高的荣誉。您对自己和团队的未来有什么期许和寄语吗?
  程林:主持AMS热系统工作,确实为我带来了很多社会赞誉。我作为AMS热系统的首席科学家,是整个AMS项目中担任系统总负责人的唯一的中国人。我提出的大型科学仪器太空运行的散热蓄热协同原理、周期性冷热交替的最小温差原理和不稳定分散热源的最优传热方法,解决了粒子探测仪在国际空间站运行的关键科学问题,对阿尔法磁谱仪的成功作出了基础性贡献。2012年11月3号,NASA授予我“特别嘉奖”。之后,我又获得山东省科学技术最高奖。
  但是,任何个人的荣誉都离不开团队的贡献。我始终是AMS山东大学热科学团队的一员,我们团队始终是丁肇中教授领导下的大家庭中的一份子。能够参与世界最大科学实验之一,已经是我个人最大的快乐;能够为人类科学事业和探索未来略尽绵薄,就是我人生最大的光荣。我想,NASA和山东省政府给我的赞誉,既是对我个人努力的褒扬,也是对我们山东大学科研团队、我们中国科学家群体的肯定。
  AMS最重要的目标是探测未知,探索自然界中真实存在但我们无法想象、也不曾发现的现象。令人欣喜的是,AMS探测器从2011年5月19号至今,已经收集到325亿个宇宙射线数据,远远超过了过去100年收集到的宇宙射线总和。我们有把握,在未来20年内,AMS将搜集到3000亿个数据,这些数据将提供前所未有的精度,以寻找新的物质。这里,我想引用丁肇中教授给我们的贺信:
  “AMS在未来二十年内都将是国际空间站上唯一的大型科学实验。在山东省政府和山东大学、书记和校长的领导下,程林教授的团队与美国的宇航局和麻省理工学院一起为实验做出了杰出的贡献。正是他们的工作使这个实验真正成为了可能性,山东大学应该为他们感到骄傲。我相信在未来20年内宇宙探索的重要结果即将在山东大学出现。”
  荣誉加身,更要永不止步。现在,我们已经有资格说,我们以山东大学的光荣和梦想,向人类精神的不懈探索与科学研究的卓越追求表达了我们的敬意。未来,我们期待能够真正地更有资格,向人类的精神自由与思想舒展致敬!
  编辑 王俊烽
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