我心中的理論物理

董銳鋒

愛因斯坦說過,世界上除了音樂外,最美妙的東西就是理論物理了。千變?nèi)f化的世界在理論物理學(xué)家的眼中往往很簡單,并且他們一直在忙碌著的事情就是用最簡單的“語言”描述世界。

可愛的理論物理

什么是理論物理?這個問題不是每個人都能回答的?？赡芎芏嗤瑢W(xué)認(rèn)為,理論物理就是數(shù)學(xué),或者比數(shù)學(xué)更難,當(dāng)年我就是抱著這種想法報考的南開大學(xué)物理學(xué)專業(yè)。高中物理留給我的印象是,用給定的幾個簡單的定律和原理去處理一個實際問題,而這個過程一般只有數(shù)學(xué)推演,最多再加上某些物理限制,比如質(zhì)量大于零、溫度高于0K,等等。而且物理給人的感覺是理論越是高級,其需要的數(shù)學(xué)工具就越高級復(fù)雜。不只一位教授上課時給我們講過,物理不是數(shù)學(xué),數(shù)學(xué)好的人能做物理,但只能做很低級的物理,而物理學(xué)家做物理研究用的是想法、洞察力和創(chuàng)造力。就是這幾句簡單的話,我琢磨了三年才有所體會。學(xué)習(xí)廣義相對論時不只一次發(fā)覺,好的理論不在于它優(yōu)美的數(shù)學(xué)描述和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu),更重要的是它經(jīng)過物理加工后表現(xiàn)出的預(yù)言能力。比如,在簡單的直角坐標(biāo)下表示Kruskal坐標(biāo)面上質(zhì)點的運動,就奇跡般的得出黑洞和白洞存在的預(yù)言,這遠(yuǎn)非數(shù)學(xué)所能及。

物理是困難而又簡單的。說它困難,是指搞物理的人要有較強的數(shù)學(xué)能力,數(shù)學(xué)是定量處理物理問題的工具,應(yīng)該熟練的掌握它,但這不是最重要的原因。它的困難更在于做理論的人要有耐心和毅力,研究物理會經(jīng)常讓你覺得前方一片昏暗,找不到正確思路,也找不到難點所在,軟弱者在這時很可能放棄,而偉大的結(jié)果往往是在這個時候產(chǎn)生的。做物理是最需要“南開精神”的,就是南開大學(xué)張伯苓校長的警言:怕難的不必來,求安逸的不必來,好奉承的不必來,服了這口氣的不必來。在一次師生座談會上,南開大學(xué)的一位老教授教導(dǎo)我們,要做好物理,聰明和敏銳都不是最重要的,最重要的是耐心和自信心。前沿領(lǐng)域的研究人員常處在“對”與“錯”的分界線上,不能肯定自己的理論是無誤的和有用的,但他們會先自認(rèn)為正確,繼續(xù)做下去,百家爭鳴才能優(yōu)勝劣汰,物理才能進(jìn)步。

我之所以說物理是簡單的,在于物理處理的是最簡單的問題,比如金屬為什么會導(dǎo)電,電燈為什么會發(fā)光,石頭為什么是硬的……有些問題甚至讓某些人覺得根本不是問題,比如說為什么我們會存在,太陽為什么看起來是圓的,等等。有人會問,“你們解決這些問題有什么用?”答案是:有一部分問題的解決會直接導(dǎo)致生產(chǎn)力(計算機的產(chǎn)生不可不說是固體理論的成果);有一部分問題的解決未來可能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,如量子計算研究、太陽能研究、凝聚態(tài)研究;而其余的也是大部分的問題的解決,則只是為了滿足人類固有的好奇心,這便是物理的“可愛”之處。

當(dāng)今的理論物理

理論物理是個突飛猛進(jìn)的學(xué)科,發(fā)展出的研究方向數(shù)不勝數(shù),與其它學(xué)科(生物學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)、哲學(xué)等)也有著不同程度的聯(lián)系。

在此簡單列舉我所了解到的目前學(xué)科前沿的一些進(jìn)展,供有興趣的讀者參考。

理論物理三個大的方向吸引了大部分物理學(xué)家的眼光,這也正是我們南開大學(xué)理論物理的主攻方向。

一是粒子物理。大家都知道,標(biāo)準(zhǔn)模型(Standard Model)已成功解決了統(tǒng)一電磁作用和弱相互作用的問題,對強相互作用的統(tǒng)一的努力一直還在進(jìn)行,這也是核子物理的一個重要題目。但大統(tǒng)一理論即電、弱、強和引力的統(tǒng)一,至今仍沒有出路,問題集中出現(xiàn)在量子理論與廣義相對論的矛盾之中。然后,就誕生了超對稱模型(Supersymmetry)、弦理論(String Theory),正在火熱研究中,但從物理上來講,這些研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。其一是理論的很多預(yù)測無法在實驗中實現(xiàn),比如弦理論要求的超高能量檢驗,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)在加速器的能量指標(biāo)。其二是對很多現(xiàn)象還不能作出滿意解釋,比如CP破壞機制、引力場的量子化、宇宙中的暗物質(zhì)的成分及暗能量的來源,等等,這些問題是基本的。CP破壞的解釋將回答為什么我們世界存在而反世界不存在,或者說得更科幻一些,就是外星人會不會存在的問題。暗物質(zhì)的暗能量的存在及組成的澄清則會告訴我們宇宙的基本形貌和運動變化,更新人們的宇宙觀念甚至引發(fā)新的哲學(xué)思考,當(dāng)然這只是副產(chǎn)品。

二是核物理和核子物理,這是一個老問題。自從盧瑟福散射實驗以來,人們對原子核的次級結(jié)構(gòu)就沒有停止過探索。從查德威克發(fā)現(xiàn)中子,湯川秀樹預(yù)言出介子,李政道、楊振寧提出弱相互作用宇稱不守恒,蓋爾曼提出強子夸克模型,到費米實驗室頂夸克的發(fā)現(xiàn),人們對核結(jié)構(gòu)的認(rèn)識逐漸深入,但遺留的問題也不少。一是對現(xiàn)有基本粒子的質(zhì)量的解釋,Higgs機制可能提供答案(當(dāng)然也不是最終的答案,因為Higgs粒子本身的質(zhì)量仍無著落),這還有賴于歐洲核子中心(CERN)的LHC加速器實驗的觀測;另外還有輕子的結(jié)構(gòu)問題、自由夸克存在問題、以及量子色動力學(xué)(QCD)的中高能和低能區(qū)的應(yīng)用等,這諸多問題的解決,將是此領(lǐng)域物理學(xué)家們的一個長期目標(biāo),也需要更多的年輕人加入此行列。

除此之外,我想再簡單提一下非線性物理的進(jìn)展,因為我對這方面的了解比較有限。非線性物理是一個較新的物理分支,其研究方法也較其它分支有所不同,同大氣物理、生物學(xué)和信息科學(xué)的聯(lián)系較多。現(xiàn)在研究中心集中在以下幾個方面:孤立子理論、分形理論、復(fù)雜系統(tǒng)、混沌理論、量子混沌理論、耗散結(jié)構(gòu)和自組織問題。其中混沌理論和復(fù)雜系統(tǒng)是南開大學(xué)物理系的主要研究重點。

南開大學(xué)的理論物理專業(yè)

可愛的教授

南開大學(xué)的理論物理專業(yè)匯集了12位教授和6位副教授,其中有六七十歲的老人,也有二十多歲的小伙;有的喜歡談笑風(fēng)生,有的喜歡沉默。雖性格各異,他們卻有一個共同的特點:可愛。記得講授理論力學(xué)的劉老師經(jīng)常在課間幾分鐘講一些趣事,有一次談到開會時說,“開會時看到那些搞文學(xué)、經(jīng)濟(jì)、管理的老師,個個西裝革履,嚴(yán)肅的要命;再看看我們搞物理的,穿著T恤,有的還嚼著口香糖……”在后來的一次學(xué)術(shù)報告會上,劉老師的這段話被證實了。搞物理的人往往不太注意形象,或者無暇注意這些細(xì)小的問題。他們更注意的是好的想法,所以常常告誡我們有了新的想法時,一定要找他們討論。是不是很“可愛”啊!還記得講授數(shù)學(xué)物理方法的繆老師喜歡給我們講他在德國、日本留學(xué)時的事情,每次講完都會像孩子般“傻傻”地笑笑,惹得整個教室的人哄堂大笑,而老師卻以為我們是因他講的故事而笑,故又得意地笑……

而就是這些可愛的老師在做著最不平凡的工作,有的研究核物理,有的研究宇宙學(xué),有的做超弦理論,有的做非線性物理,在各自的領(lǐng)域做著杰出的研究,僅2006年一年發(fā)表在SCI的文章就有42篇;他們的教育工作也做得很優(yōu)秀,還記得2008年李老師和魏老師的學(xué)生獲得了全國優(yōu)秀博士論文獎……

我們的學(xué)習(xí)

我們專業(yè)的本科生活還是比較“緊張”的,但我覺得用“充實”這個詞來說更恰當(dāng)一些。除了學(xué)校的公共課程(有高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、V++編程、外語、政治歷史、軍事學(xué)概論等)和物理學(xué)院的公有專業(yè)課(包括力、熱、光、電、計算物理、基礎(chǔ)實驗和近代物理實驗)外,我們物理學(xué)專業(yè)的課程分基礎(chǔ)課和選修課兩類,基礎(chǔ)課有理論力學(xué)、電動力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理、量子力學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法、固體物理等,選修課有粒子物理導(dǎo)論、原子核理論導(dǎo)論、大氣物理導(dǎo)論、量子場論導(dǎo)論。當(dāng)然課程比較繁重一些,這也是基礎(chǔ)學(xué)科的特點。另外,如果感興趣的話,很多研究生的課程也可以去聽,如量子場論、群論、廣義相對論等;還有一些數(shù)學(xué)系的課程也可以去聽,如抽象代數(shù)、微分幾何等,在以后的學(xué)習(xí)和科研中都會接觸到,所以提前建立一些概念,對于有志于理論物理的人來說也是一件樂事和幸事。

我們的物理生活

全國有14個物理學(xué)基地,其中有一個就設(shè)在南開大學(xué)物理學(xué)系。很幸運,我就是基地班的成員之一。我們基地班集中了學(xué)院最優(yōu)秀的學(xué)生,給我們提供了學(xué)習(xí)和交流的平臺。大約每周舉行一次的“今日物理”學(xué)術(shù)講座已經(jīng)成為我們生活的一部分,每次都會邀請到國內(nèi)外知名的學(xué)者講各自領(lǐng)域的最新進(jìn)展,楊振寧、何祚庥、趙凱華、蘇汝鏗等老前輩都曾在這個講臺上同大家交流,把我們帶向科學(xué)的最前沿。當(dāng)然,本系的一些教授也有自己的小型討論會,如果你有興趣,也可以借此機會同老師和各年級的同學(xué)交流心得、共同進(jìn)步。比如繆老師組織的Candy Group討論會,基本上兩周討論一次,每次有十個左右同學(xué)參加。繆老師非常親切,發(fā)完candies之后就和大家交流最近兩周的學(xué)習(xí)情況,詢問大家有何收獲、問題、打算和想法。大家討論非常積極,這15分鐘往往過得很快。接著會有一位研究生師兄給我們講某個前沿領(lǐng)域的情況,如非對易時空、弦理論、超導(dǎo)理論等,每次或者每兩次講一個話題,每一次討論會上大家提的問題都很多,爭論不斷。另外,我們專業(yè)的老師都很喜歡和同學(xué)交流(面對面或者Email),了解我們在學(xué)習(xí)上的問題,也回答我們提出的各種瘋狂的科普問題,完善知識結(jié)構(gòu),并把他們在工作中的感悟和體會告訴我們。學(xué)習(xí)物理需要一個好的環(huán)境,正如種花需要一片沃土一樣,南開大學(xué)物理系這片沃土給了我成長的動力。

我們的未來不是夢

我從小就有一個理想——做一個科學(xué)家,而這一直只是個夢。但現(xiàn)在我覺得它已不再只是一個遙遠(yuǎn)的夢,它在南開的土地上已經(jīng)茁壯成長,我的信心也已成長。畢業(yè)后,有些同學(xué)參加工作了,各行各業(yè)都有,有做信息產(chǎn)業(yè)的,有做機械的,有做金融的,有做股票的……。一位老教授說過,“物理給你們的不只是這有限的知識,而是一種物理的思維方式,這是最重要的。這種思維的熏陶會讓你們在以后的工作生活中受益匪淺,各行各業(yè)的大門都會向你們敞開。”當(dāng)然這些同學(xué)只占理論物理專業(yè)的一小部分(不超過20%),因為大多數(shù)同學(xué)還是想在自己感興趣的方向繼續(xù)從事理論物理研究,故大學(xué)和研究機構(gòu)更受大家青睞。有很多同學(xué)會選擇出國深造,去更好的環(huán)境發(fā)展自己。還有一些同學(xué)留在國內(nèi)讀研究生,我就是其中之一,已經(jīng)被北京大學(xué)一位著名教授接受攻讀博士學(xué)位。

國內(nèi)有很多不錯的理論物理研究機構(gòu),如北京大學(xué)、南京大學(xué)、南開大學(xué)、中科大、中科院物理所、南開陳省身數(shù)學(xué)所等等,雖說畢業(yè)后會各奔東西,但無論到哪兒,南開大學(xué)物理系的學(xué)生都會受到歡迎。

責(zé)任編輯劉佳