“0.1秒”，穿越46亿年

编者按：

2023年，李忠海收到了中国科学院大学（以下简称“国科大”）的“领雁金奖”奖章。该奖项设立于2020年，用以进一步激发国科大教师立德树人的积极性和创造性，成为“有理想信念、有道德情操、有扎实学识、有仁爱之心”的好老师。不过，对李忠海来说，领奖这天和平时没什么不同，他一如往常地早起、工作、教学、跑圈……

或许科学家总会被自己的研究对象影响。作为地球动力学家，李忠海看到的世界从来不是一座山、一片海，而是覆盖5亿平方公里的地表、深入6千公里的地心、横跨亿万年的行星演化。漫长的时空会让很多冗杂琐碎的事物变得无关紧要，只留下最重要的主脉络，正如李忠海的生活，简单、朴素、没有太多杂念。“断舍离”，这正是李忠海从自己的研究对象——地球身上学到的生活智慧。

李忠海

“人猿相揖别，只几个石头磨过，小儿时节。”短短一句话，从猿猴进化成人的300万年就这样过去了。

这句词写于1964年。而此时，人类对于自身、地球、宇宙的认知，相比百年前，早已天翻地覆。如今，连小学生大抵知道这个科学逸闻：曾经有位科学家叫魏格纳，他在地图上偶然发现非洲和南美洲的海岸线相吻合，进而推测地球上的各个大陆曾连成一片……但在1912年之前，大陆漂移说、板块构造说、海底扩张说等，都还只是天方夜谭。

把地球演化历史浓缩为24个小时，人类文明只在最后的0.1秒内闪烁。0.1秒，还不够人眨一次眼，可人类却试图在这不到“一眨眼的时间”里，搞明白地球为何是地球，人类何以能存在。

地球的深部世界是怎样运行的？地球内部运动如何影响大陆板块？板块运动在构成喜马拉雅等地质景观外，还会带来什么……一层一层地分析，直到理解我们为何能站在这片大地上，这正是身为计算地球动力学家的李忠海的工作。

“兜兜转转”：

地球与它的研究者

或许，“旋转”才是人类乃至宇宙万物的共同姿态。

正如地球亿万年如一日地自转、公转，日复一日地思考着地球运动的李忠海，也喜欢“打转转”。

他喜欢在办公室里来回踱步，在几平方米的屋子里，思考上百公里尺度的大陆大洋板块俯冲。有时，他也会独自到操场跑上个十圈八圈。对他来说，在哪儿都无所谓，只要是没人打扰的地方，他都能同时“转”动脑子和身体。他喜欢思考这些问题，他觉得，人生就是要勤思考。

他并非是严格意义上“科班出身”的地质学家，正儿八经学习、研究地球动力学的时间也就15年。其间，他做出了一系列有国际影响力的研究成果，以第一或通讯作者身份发表论文50余篇，还构建了地球动力学数值模拟成果平台……回国仅10年，先后获得“优青”和“杰青”，无论是旁人还是自己来看，这段科研的职业生涯，都还是“相对顺利的”。

有时，人们喜欢将成功归因于运气，却忘了计算“天时”“地利”正好碰上“人和”的概率。对李忠海来说，种种际遇既是幸运也是必然。

李忠海在办公室

在孩子们都想当科学家的年代，他却一心想上工地。高考后，李忠海报考的是土木工程专业。当时的他想着，学得好就去当设计师，学不好那就去当包工头。最后他被分到海洋学院，工地上从此少了位叫“李忠海”的工程师。

李忠海不是个“安分”的人。本科在海洋学院时，他就会因为兴趣而自学力学、计算机的课程；攻读硕士研究生时，又去做地震方面的研究。那时候的他觉得自己也许不是做科研的料，他对未来的设想是，毕业去油气企业工作，用所学帮国家找能源……所思所想，并未涉及研究基础科学领域。这也和他务实的性格有关。他自认是工科思维，学知识时总想问一句“这能用来干嘛？”从事基础研究在当年的他看来，“用处”不大。

这也导致了他“科研成果不足”的问题。读博期间，他正好碰上我国高校建设高水平大学的公派出国留学计划，但他的申请表上，除了个人简历，其他所有栏目都是空的。幸运的是，他作为第一批申请人，最终得到了出国交流学习的机会。他感慨，当年的申请表放到现在“那是很不够看的”。

运气可能是块“敲门砖”，但最重要的还是要依靠自身实力。在苏黎世联邦理工学院从事地球运行机制研究时，他发现，自己曾经学过的数值模拟、物理、力学、地学、计算机等学科知识都能在科研中用上。同时意识到，这也许是一条跟他完美匹配的科研道路。

即便如此，他还是不忘“折腾”。在法国国家科研中心做博士后时，他又开始系统学习流体力学。面对全新的学科，已经是博后的他，还得像本科生一样，白天上课，晚上回家赶作业。

开启一门新学科的学习，如同开荒拓土，需要极大的勇气与耐心。在法国，他经常对导师布置的课后作业思考到凌晨两点，“挠破了头”也搞不懂问题的内涵是什么，更不知道接下来要做什么、怎么做。他发现，面对新问题，需要打下新基础、创造新方法，“但我都没有”。

知识不够就去学，没有基础就去打，对李忠海来说，这没什么好犹豫的。在巴黎南郊的奥赛小镇全身心投入科研的日子里，他晨曦朝露去，披星戴月归，日复一日奔走于学校和宿舍之间。他的宿舍在一座山上，每天既下山又上山，有时注意到路过山谷间的河流，他会坐在河边，静静地看流水撞击石头。

此情此景，有人会想“流觞曲水”，有人会想“惊涛拍岸卷起千堆雪”，而李忠海想的是“河流的边界条件如何影响水流？”“水流放大1万倍，是不是就是地幔的流体力学？”少了点浪漫，但多了些求学的认真。

在他看来，博士后入站后是他人生中最痛苦的两年。现在的他也常用这段经历给失落的学生打气。他说，从有导师兜底到自己独立研究新课题，乃至成为别人的依靠，博后就应该是最苦的时候，这是成熟之前的“涅槃之痛”。

李忠海在办公室

科研的魅力在于探索“未知”。不知道过程、不知道结果，即便是在专业领域深耕多年的导师往往也只能引路，这条孤身开山的路，能走下来，考验的是科研能力，更是意志力。

他觉得，自己的坚强来自第一次发论文的经历。面对被主编屡屡退回、要求修改的论文，他想过“摆烂”，也对自己“适不适合科研”有过深深的怀疑，想着干脆就混个毕业算了。好在，在他“卡”了两年、改稿4次后，很多事情突然就顺利了起来，他也顺势走上科研的道路。

这篇被李忠海自称“改稿4次”“有5版”的处女作，迄今还保留在他电脑的专属文件夹中，里面有历次修改的版本。几年后，他的学生偶然瞄到了这个文件夹，发现这篇论文至少有50版。

没有突然的成功，只有量变积累的质变；没有天降的幸运，只有默默积累后的恰逢其时；没有天生的坚强，只有“多走一步、再走一步”后的柳暗花明。

到处学东西、换方向，兜兜转转的他终于找到了属于自己的路。回顾学习生涯，他发现，“学习过的内容都不会浪费”。在每个阶段学的东西，即便当时觉得用不上，可在未来的工作中，都会或多或少地派上用场。此后的研究，他总能抓住关键点，顺利得像是“开了挂”。

也许对他来说，“绕路”才是真正的捷径。

“地球模拟器”：

怎么让地球不“流浪”？

如果要用一句话来形容李忠海的研究，那就是在电脑上做个高仿真的“地球模拟器”。

至于研究地球内部的动力机制，这些动力如何推动板块的碰撞、分裂，板块运动会带来哪些影响，以及如何构建公式，用程序模拟这些变化……种种课题都是为了让这个“地球模拟器”更真实、更准确。

人类在地球上生活了300多万年，可如今，对自己脚下的陆地深部到底是一头什么样的“大象”，人们还没能完整“摸出来”。

这也难怪，人类在诞生后不到最后1%的时间里，才陆续发展出了语言、文字、文明、国家。如果将地球演化与人类进化历史同时放在一天24个小时里，那么人类在23:59分的最后0.187秒才知道地球是圆的。

即便人类已经能观测到光年外的黑洞、在月球上留下足迹，可人类对地球内部世界的认识仍很“浅薄”。地球的半径有6371km，在百万年的人类史中，人们只向地下前进了10km，换句话说，我们对地球内部的直接探测速度是0.01米/年，距离“终点”还有99.8%的“路程”。

在无数的“未知”中，要“模拟”出地球板块运动，是一项漫长的工程。

“不可直入、难以观测”是地球内部研究的特征。地球内部世界对于人类，就像个黑盒子，人们无法深入到地心，去观察那里面到底发生了什么；人们也无法像研究大气一样，轻松采集到丰富的数据，并用最新的变化不断去验证科学家的各种新猜想。

李忠海在野外

人总是要探索未知的，但深入地球比飞向宇宙难多了。160年前，科幻小说《地心游记》让主角乘坐飞船从地壳最薄的大裂谷处深入到地球内部。可如今，月球人类也去过好几遍了，可在地球上，人们能探索到最深的地方也就10公里左右。

10公里也是海洋最深的地方。可即便是神秘的深海，对于地球来说，也只是如同“苹果皮”一样的“薄薄一层”，距离对流的地幔尚有上百公里。10公里往下，每再钻探1米，投入都呈指数级增长，更别说人类目前的技术并不足以支撑人类向更深的地方前进。李忠海无奈道，这“比飞出太阳系都难”。

时间跨度大也让研究地球动力学难上加难。人生短短百年，以百万年计的板块运动，对人类来说难以想象。即便有数代人的持续观测，也不过是看到大陆上几米、几厘米，乃至几毫米的数据变化，这种变化若放大到整个陆地，远远地用肉眼看，几乎看不出区别，对地球本身的“生命”来说更是无关痛痒。

如今，地质学家可以通过历经沧桑的岩石来推演出过去几十亿年的地球故事。但在七八千年的人类文明史中，“天倾西北、地陷东南”像是个不变的“初始设定”——人们看不到剧烈的变化。

这也是为什么预测地震如此困难。火山喷发、地震突发这些自然现象的背后是地球板块复杂而漫长的演变，几秒钟的地震可能释放了板块积累上百万年的能量。正因为是地球内部强大的动力在驱动板块不断运动，因此，人们若不洞悉地球深部的动力机制，也就无法准确预测地表发生的系列现象。

李忠海在野外

漫长的演变和短暂的运动之间，也存在时间尺度“契合”不上的问题。在“地球模拟器”中，李忠海试图将目前的地球动力学、地震动力学的相关研究放进自己的模型中，可地震的1秒钟足以天翻地覆，地球板块过了100万年也不见太多变化，二者如何“联动”也是个难题。

李忠海坦言，如今的“地球模拟器”，用到的诸多模型都建立在假设之上。俯冲带是怎么形成的、地幔是怎么流的、地球深层是怎么动的；当地震来袭，地底下的力有多大、地壳有多硬、地表怎样才会破裂……很多问题都还没有得到解释。

可科学家要做的正是“大胆假设，小心求证”的工作。曾经的板块漂移说，一度被科学家认为是错误的，因为“不存在这么大的力”；可总有科学家不信邪，打算找到这个“力”，最终发现了地幔流动。曾经的板块构造说，从提出假说到1968年在海底大调查之后得到确立，也经过了50余年。

地球有太多的未知，可进一步有一步的欢喜。百年前，沧海桑田还是对“永恒”的浪漫想象。可经过近百年的研究，人们知道了，海洋会慢慢闭合，陆地能拔地而起，这份“永恒”也因此有了期限——过去了约五千万年，“特提斯海”变成如今我们熟知的“喜马拉雅”。如今，青藏高原还在以每年几厘米的速度缓慢生长。

凭借着这些知识，勘探地下资源也变得更加容易，比如西藏、云南的成矿带，正是由于板块碰撞的作用而形成。此前，李忠海也用软件模拟前陆冲断带，帮助中石油探测油气产区。

有趣的是，这正是他曾经的人生规划。由于在硕士时期，他做的正是油气盆地相关研究，“为祖国找油”跟他专业“对口”。20年过去，“找油”对他来说，已经只是科研路上的一个“副产品”。如今，他看向了更大，更远的天地。

在未来十年规划中，他立下两个“小目标”：一是搞明白地球内外的碳循环如何联动；二是在深空中寻找地球的“前世今生”，即在太阳系内外寻找与地球相似的行星，作为对地球过去、未来的参照。

李忠海在野外

比如此前，科学家们认为，木星的卫星木卫一，可能是早期地球的样子，而火星是地球未来的样子，即一个干涸的、巨冷的、没有任何生命的星球。通过地球和其他星球的类比，或可以大致推断地球的“生老病死”过程。

即便终有一天人类将奔赴宇宙，但能把地球的“家务事”搞明白，或许地球的未来就不会像电影里一样，走上“流浪”的结局。

当一名科研人员

选择了“断舍离”

如果进入李忠海的课堂，人们会目睹这样一番景象：学生们聚集在黑板前，一笔一画地书写着什么。他们眉头紧锁，仿佛在与一些奇特的符号搏斗。凑近看时才会发现，这些符号不是数学表达式，而是电脑程序。

李忠海经常“手把手”地教学生书写程序。他觉得，编程不仅仅是技术上的掌握，更是一种创造的艺术。

李忠海在指导学生

2017年的春天，李忠海开始在国科大教授《地球内部流变学》课程。他一直在思考，如何既不让学生们僵化地学习课件内容，又避免过分追求实用，导致学生们不了解学科的底层原理。为此，他用一年多的时间，潜心备课，创新性地引导学生逐步推导地球多圈层的数学表达式，进而编写模拟地球岩石圈板块和地幔相互作用的程序，让学生既动脑又动手。

他相信，这能激发学生们的创造力和解决问题的能力，并更深入地了解地球动力学和数值模拟。“这门课程一共就20多人，还会被点名叫上台，在黑板上徒手写代码，想学不到东西都难。”这是学生们对该课程的普遍评价。

最初，李忠海也会觉得教学是个“负担”。面对什么都不懂的学生，他不得不去琢磨曾认为“太基础、理所当然”的东西。

此前，在相关公式中，地球顶部边界层厚度的系数是“2”。这个“2”，曾经的他是“拿来就用”，觉得没什么问题。可当学生发问，“这个‘2’是怎么来的？”，他在推导之后发现，看似理所当然地出现在公式中的系数“2”，并非是绝对的，而是基于一系列假设得出的。也就是说，这个系数“2”是可以被调整的。

这一刻，他才明白，只有真正虚心授课，才能体会到教学相长的快乐。

李忠海在指导学生

无论是在学习、生活、科研还是教学，他都崇尚“断舍离”的理念。“断”掉不必要的社交，“舍”去功利心、名利心，远“离”低质量研究成果。这种对科研的纯粹，也由他身体力行地传达给了学生们。

他的学生们经常听他说要“舍得”，所谓舍得，就是不为利益去做无意义的科研项目，不为发论文而写论文，要为学科发展、国家需要而做科研、做项目。正所谓“有舍才有得，小舍有小得，大舍有大得，不舍则不得”。

在李忠海的科研团队，没有太多的管理和组会。他崇尚的是“小而精”的模式，学生不多，每个人都有自己独一无二的方向。“我会告诉学生，当你入学时就是PI（科研方向负责人），你要是‘垮’了，这个方向就‘死’了。”

“坚决不扩容”的安排，一来是为了有精力教导学生，他觉得“我没有能力带很多学生”；二来是为了科研效率，不同于做观测、出野外需要很多人，做“地球模拟器”的模型更考虑“兵不在多而在精”。

李忠海觉得，无论是自己还是学生，都不能被项目牵着鼻子走，更不能在团队有了项目后，大家“一起上”，各干各的一小块内容，却不知道自己在干什么。

作为过来人，他深知，很多时候研究生们并非不努力，而是找不到使劲儿的方向。这也让他身为80后，却非常能共情90后、00后的研究生们。

面对未知，青年科研工作者往往承受巨大的心理压力，“我觉得这是可以把人压垮的。”李忠海坦言。他并不强求学生必须做科研。他觉得，对于科研“不想干了就不干”，只要现在好好学，未来无论是去企业、去教书，曾经的学习总会在未来发挥作用，关键是“不要停下思考”。

李忠海（右一）和他的学生们

他与学生们还有个默契的约定：每天在午餐时间一起去食堂用餐。在饭桌上，边吃饭边讨论，无论是科学问题还是生活困惑，都能及时得到回应。养成这个习惯后，每当李忠海出差，学生们就感觉，那几天的饭都似乎少了点“灵魂”。

积极乐观、严于律己、干净利落，这是李忠海的学生们在多年来，对导师最深刻的印象。

无论刮风下雨，李忠海必到办公室，早上7点来，晚上7点半走。“自愧不如。”国科大2016级学生崔起华说道，“李老师每周一都会打扫办公室，地上干干净净，摆放物件条条有序，看不到杂乱的现象。”

李忠海也从不会跟学生“红脸”，更不会否定学生，而总会热心鼓励，提一些切实可行的建议，这一点让国科大2022级博士生崔峰源尤为敬佩。

崔峰源清楚地记得，有一次李忠海第二天要出差，临到出发前一晚，他把研究结果发给老师时，却得到极为详尽的指导。“本来只想着发一下，没想到李老师直接给我打电话，详细地说明了出现的问题以及解决方案，又帮我重新梳理了研究大纲，前后用了一个多小时。最后我都感到不好意思了，因为这个时候李老师一般睡觉了，并且第二天凌晨还要赶飞机。”

崔峰源觉得特别愧疚，自己要是再努力一点，再聪慧一点，也许就不会让李老师这么辛苦：“我们可能问的一些问题后来回想起来非常幼稚，但李老师一开始都不会否定我们，而是循循善诱，慢慢帮我们找出正确的路。”

如果非要给李忠海贴上一个标签，那应该有“春风有意育桃李，润物无声洒光辉”。崔起华说，这是他们在教师节时送给导师李忠海的贺卡上面的话，上面还写道：“我们已经把李老师当成最亲近的伙伴。”

40多亿年来，地球在斗转星移间沧海桑田，纵使人类只在其时间尺度的1秒内闪烁，李忠海也想要证明，透过科学的窗口，我们可以窥探地球内部世界，一探究竟。对他来说，这不仅比“上九天揽月，下五洋捉鳖”更具技术含量，更是一种浪漫、一种永恒的追求。

本文原载于《国科大》杂志

原标题《李忠海：“0.1秒”穿越46亿年》

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文字/土豆 孔维林

图片/李文毅

部分图片由受访者提供

（作者系国科大记者团成员）

美编/安玥蓉 徐天怿 宋嘉琪 徐慧中 

责编/齐晓研

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