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。千變萬化的世界在理論物理學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認為,理論物理就是數學,或者比數學更難,當年我就是抱著這種想法報考的南開大學物理學專業。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學推演,最多再加上某些物理限制,比如質量大于零、溫度高于0K,等等。而且物理給人的感覺是理論越是高級,其需要的數學工具就越高級復雜。不只一位教授上課時給我們講過,物理不是數學,數學好的人能做物理,但只能做很低級的物理,而物理學家做物理研究用的是想法、洞察力和創造力。就是這幾句簡單的話,我琢磨了三年才有所體會。學習廣義相對論時不只一次發覺,好的理論不在于它優美的數學描述和嚴謹的邏輯結構,更重要的是它經過物理加工后表現出的預言能力。比如,在簡單的直角坐標下表示Kruskal坐標面上質點的運動,就奇跡般的得出黑洞和白洞存在的預言,這遠非數學所能及。

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學能力,數學是定量處理物理問題的工具,應該熟練的掌握它,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,而偉大的結果往往是在這個時候產生的。做物理是最需要“南開精神”的,就是南開大學張伯苓校長的警言: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,南開大學的一位老教授教導我們,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,但他們會先自認為正確,繼續做下去,百家爭鳴才能優勝劣汰,物理才能進步。

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電,電燈為什么會發光,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致生產力(計算機的產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化為生產力,如量子計算研究、太陽能研究、凝聚態研究;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。

當今的理論物理

理論物理是個突飛猛進的學科,發展出的研究方向數不勝數,與其它學科(生物學、天文學、化學、哲學等)也有著不同程度的聯系。

在此簡單列舉我所了解到的目前學科前沿的一些進展,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家的眼光,這也正是我們南開大學理論物理的主攻方向。

一是粒子物理。大家都知道,標準模型(Standard Model)已成功解決了統一電磁作用和弱相互作用的問題,對強相互作用的統一的努力一直還在進行,這也是核子物理的一個重要題目。但大統一理論即電、弱、強和引力的統一,至今仍沒有出路,問題集中出現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,這些研究還遠遠不夠。其一是理論的很多預測無法在實驗中實現,比如弦理論要求的超高能量檢驗,遠遠超過現在加速器的能量指標。其二是對很多現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新的哲學思考,當然這只是副產品。

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構就沒有停止過探索。從查德威克發現中子,湯川秀樹預言出介子,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現,人們對核結構的認識逐漸深入,但遺留的問題也不少。一是對現有基本粒子的質量的解釋,Higgs機制可能提供答案(當然也不是最終的答案,因為Higgs粒子本身的質量仍無著落),這還有賴于歐洲核子中心(CERN)的LHC加速器實驗的觀測;另外還有輕子的結構問題、自由夸克存在問題、以及量子色動力學(QCD)的中高能和低能區的應用等,這諸多問題的解決,將是此領域物理學家們的一個長期目標,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、生物學和信息科學的聯系較多?，F在研究中心集中在以下幾個方面:孤立子理論、分形理論、復雜系統、混沌理論、量子混沌理論、耗散結構和自組織問題。其中混沌理論和復雜系統是南開大學物理系的主要研究重點。

南開大學的理論物理專業

可愛的教授

南開大學的理論物理專業匯集了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。記得講授理論力學的劉老師經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、經濟、管理的老師,個個西裝革履,嚴肅的要命;再看看我們搞物理的,穿著T恤,有的還嚼著口香糖……”在后來的一次學術報告會上,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!還記得講授數學物理方法的繆老師喜歡給我們講他在德國、日本留學時的事情,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,有的做超弦理論,有的做非線性物理,在各自的領域做著杰出的研究,僅2006年一年發表在SCI的文章就有42篇;他們的教育工作也做得很優秀,還記得2008年李老師和魏老師的學生獲得了全國優秀博士論文獎……

我們的學習

我們專業的本科生活還是比較“緊張”的,但我覺得用“充實”這個詞來說更恰當一些。除了學校的公共課程(有高等數學、線性代數、V++編程、外語、政治歷史、軍事學概論等)和物理學院的公有專業課(包括力、熱、光、電、計算物理、基礎實驗和近代物理實驗)外,我們物理學專業的課程分基礎課和選修課兩類,基礎課有理論力學、電動力學、熱力學與統計物理、量子力學、數學物理方法、固體物理等,選修課有粒子物理導論、原子核理論導論、大氣物理導論、量子場論導論。當然課程比較繁重一些,這也是基礎學科的特點。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;還有一些數學系的課程也可以去聽,如抽象代數、微分幾何等,在以后的學習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個物理學基地,其中有一個就設在南開大學物理學系。很幸運,我就是基地班的成員之一。我們基地班集中了學院最優秀的學生,給我們提供了學習和交流的平臺。大約每周舉行一次的“今日物理”學術講座已經成為我們生活的一部分,每次都會邀請到國內外知名的學者講各自領域的最新進展,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,把我們帶向科學的最前沿。當然,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交流心得、共同進步。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參加?？娎蠋煼浅ＳH切,發完candies之后就和大家交流最近兩周的學習情況,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域的情況,如非對易時空、弦理論、超導理論等,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,我們專業的老師都很喜歡和同學交流(面對面或者Email),了解我們在學習上的問題,也回答我們提出的各種瘋狂的科普問題,完善知識結構,并把他們在工作中的感悟和體會告訴我們。學習物理需要一個好的環境,正如種花需要一片沃土一樣,南開大學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——做一個科學家,而這一直只是個夢。但現在我覺得它已不再只是一個遙遠的夢,它在南開的土地上已經茁壯成長,我的信心也已成長。畢業后,有些同學參加工作了,各行各業都有,有做信息產業的,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,各行各業的大門都會向你們敞開?！碑斎贿@些同學只占理論物理專業的一小部分(不超過20%),因為大多數同學還是想在自己感興趣的方向繼續從事理論物理研究,故大學和研究機構更受大家青睞。有很多同學會選擇出國深造,去更好的環境發展自己。還有一些同學留在國內讀研究生,我就是其中之一,已經被北京大學一位著名教授接受攻讀博士學位。

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

責任編輯劉佳