當代理論物理發(fā)展趨勢之我見 |《物理學(xué)報》觀點和展望

菌心說 2022-01-16

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“觀點和展望”是《物理學(xué)報》2022年新開辟的欄目，以刊登短小精悍的物理學(xué)前沿評述為主，文章內(nèi)容是關(guān)于物理學(xué)某研究領(lǐng)域或新興方向的最新進展和未來發(fā)展的見解和觀點，可以圍繞某個研究方向一段時間內(nèi)的幾篇相關(guān)論文進行點評，也可以是對某個學(xué)科發(fā)展的思考。

本欄目2022年刊登的第一篇文章是孫昌璞院士的一篇評述，作者根據(jù)他在楊振寧先生百歲華誕學(xué)術(shù)研討會上的報告改寫而成?，F(xiàn)將文章內(nèi)容摘編如下，以饗讀者。

作者簡介

孫昌璞

中國科學(xué)院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士。中國工程物理研究院研究生院院長，北京計算科學(xué)研究中心教授。

1984年畢業(yè)于東北師大物理系，于南開大學(xué)獲博士學(xué)位。曾任東北師大教授，中科院理論所研究員。長期從事量子物理、數(shù)學(xué)物理及量子信息基礎(chǔ)理論研究，不少工作有長期的學(xué)術(shù)影響，如q-變形玻色子是領(lǐng)域分支開創(chuàng)性工作，預(yù)言的量子臨界動力學(xué)不穩(wěn)定和人工循環(huán)原子等得到諸多實驗證實，澄清的量子熱力學(xué)概念已經(jīng)被寫入多部專著。近年來，他具體從事有限系統(tǒng)和生命過程中的量子相干效應(yīng)、復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性和量子相變動力學(xué)等研究工作，并積極探索面向國家需求的基礎(chǔ)研究模式的創(chuàng)新。

文章信息

當代理論物理發(fā)展趨勢之我見——楊振寧學(xué)術(shù)思想啟發(fā)的若干思考

孫昌璞

物理學(xué)報. 2022, 71(1): 010101

DOI: 10.7498/aps.71.20212307

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| 摘要 |

作者結(jié)合學(xué)習(xí)楊振寧科學(xué)思想的體會，并聯(lián)系自己在理論物理研究方面的科學(xué)實踐（包括在1992—1994年跟隨楊先生對量子開系統(tǒng)、超導(dǎo)相變和冷原子物理方面的探索），對當代理論物理發(fā)展趨勢提出一些個人的看法。文章將通過具體實例，闡述為什么要做“美或有用”的理論物理；為什么基本物理的理論在一段時間內(nèi)可以與直接的實驗驗證保持距離? 對于后者，文章還從科學(xué)方法論(哲學(xué)) 的角度就理論預(yù)言與實驗證實的關(guān)系進行較為深入的討論。文章還強調(diào)了“有用”的理論物理——應(yīng)用理論物理，指出國家需求驅(qū)動的科學(xué)研究與自由探索一樣，也會導(dǎo)致基礎(chǔ)物理的重要突破。

從物理理論到理論物理

物理學(xué)是研究物質(zhì)及運動規(guī)律的科學(xué)。其研究內(nèi)容可以概括為兩大方面：1) 在更高的能量標度和更小的時空尺度上，探索物質(zhì)世界的深層次結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律；2) 面對由大量個體組元構(gòu)成的復(fù)雜體系，探索超越個體的、“演生”出來的有序和合作現(xiàn)象。上述兩方面的追求體現(xiàn)了兩種基本的科學(xué)觀——還原論(reductionism) 和演生論(emergence)。

圍繞著“還原論”和“演生論”，物理學(xué)形成了不同的學(xué)科分支。前者有粒子物理、核物理和原子分子物理等，而后者包含凝聚態(tài)物理、等離子體物理和激光物理等。物理的理論基礎(chǔ)是“四大力學(xué)”，但它們又各自發(fā)展出相關(guān)的理論，如激光理論、固體理論等。作為物理學(xué)的分支學(xué)科，理論物理常常被質(zhì)疑：既然物理學(xué)不同的學(xué)科分支有各自的物理理論，為什么還需要有理論物理? 理論物理的典型學(xué)科特征是什么? 關(guān)于發(fā)展物理理論還是理論物理在我國曾經(jīng)有過一些學(xué)術(shù)爭論。

其實，為了基于“還原論”和“演生論”描述物質(zhì)世界，物理學(xué)采取的科學(xué)手段是利用實驗進行主動的觀測。它通過建立理論模型或基于哲學(xué)思考，提出初步的科學(xué)理論假設(shè)，然后借助新的實驗進行判定性檢驗，并用嚴格的數(shù)學(xué)語言精確、定量地表達其一般的科學(xué)規(guī)律—物理定律，由此可以進一步預(yù)言新的物理效應(yīng)，并應(yīng)用到新的領(lǐng)域。物理學(xué)研究方法的這些內(nèi)稟特征，決定了理論物理學(xué)作為一門獨立學(xué)科存在的必要性，以及它在物質(zhì)科學(xué)中具有核心的地位。雖然物理學(xué)各個學(xué)科分支都有自己的理論，但貫穿各個分支有共同的規(guī)律，從而有普適共通的理論構(gòu)成了理論物理學(xué)科，因此理論物理具有本質(zhì)交叉的顯著特征，它不僅僅是把物理學(xué)的各個分支理論集合起來，而是把它們相干地融合成一個理論總體。

理論物理多元價值觀基于“美”的統(tǒng)一

物理學(xué)不同分支領(lǐng)域的價值觀必定會有差異?；凇斑€原論”的高能粒子物理需要昂貴的大型科學(xué)裝置，其成功需要更長的時間(如證實Higgs機制用了50 多年)。因此，判斷一個基于“還原論”的物理理論(如量子場論和弦論) 的“好/壞”，并不能僅僅依據(jù)是否能被即時驗證，而必須考量理論的基礎(chǔ)性和預(yù)言的深度、廣度。而凝聚態(tài)物理等演生論領(lǐng)域貼近日常生活，大多采用相對經(jīng)濟、易實現(xiàn)的桌面實驗系統(tǒng)，能否有即時的證實有時會成為一個可操作的價值判斷標準。既然理論物理學(xué)是這些分支學(xué)科理論綜合交叉，判斷一個理論好壞的價值觀自然就是多元化的，而多元化必有一定程度的價值觀沖突，導(dǎo)致價值判斷的困境。

理論物理學(xué)價值觀多元化困境會直接影響物理學(xué)的和諧發(fā)展。那么是否存在一種價值選擇的共識突破理論物理多元價值沖突的困境呢? 我的答案是，楊振寧先生多次強調(diào)的“美”的價值判斷可以作為統(tǒng)一其多元化價值觀更高層次的標準。而愛因斯坦、狄拉克和楊振寧本人的具體科學(xué)實踐可以佐證“美”的標準的合理性。因為物理理論之美在于自然物質(zhì)有結(jié)構(gòu)之美，而描述它的理論框架必有數(shù)學(xué)之美。因此，“美”能夠統(tǒng)一理論物理多元價值觀的基本理由包含在數(shù)學(xué)的價值觀當中：大道至簡，“理當則簡，品貴則簡”。這種美不是人造的，是天道自然的基本屬性，亙古有之。

理論物理與實驗關(guān)系“非常談”

實驗物理學(xué)家對“理論”有時會盲目地深信不疑，從而導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)使用主觀傾向錯誤理論預(yù)言的嚴重科學(xué)問題。其實，實驗物理學(xué)家看到的“理論”預(yù)言有可能只是某種“有效理論”的結(jié)果，或只是近似簡化模型對實際系統(tǒng)的描述，他們有時可能忘記了近似成立的條件有時會十分苛刻。作者認為，物理學(xué)家應(yīng)當在更深的層次上理解理論和實驗關(guān)系及其出現(xiàn)的問題: 1) 有理論上的嚴重誤解——錯把有效模型當實際系統(tǒng)；2) 有理論上的跟風——沒有細致地考察理論預(yù)言成立的條件；3) 實驗上的結(jié)論盲從“理論”——過于認為實驗發(fā)現(xiàn)重要性依賴“理論”；4) 實驗數(shù)據(jù)使用不客觀——有取向地處理數(shù)據(jù)以擬合已有的“理論”。由此看來，談及理論預(yù)言的實驗驗證，我們必須追問到底實驗“驗證”了什么? 一個真實的物理系統(tǒng)，一個實際的實驗，跟理想模型都是有距離的，理論結(jié)果到模型給出的預(yù)言也是有距離的(圖5)。很多時候驗證的只是近似化后模型的預(yù)言，而非關(guān)于真實系統(tǒng)的理論結(jié)果。在量子物理模擬的實驗中，此類問題甚多，必須提高警惕。

圖5 證實“理論”實驗的分級(實際物理-模型-實驗的“距離”決定了“實驗證實”工作的好壞)　(a)模型預(yù)言覆蓋了實際系統(tǒng)的全部物理，實驗正好證實了模型預(yù)言；(b)雖然模型預(yù)言覆蓋了實際系統(tǒng)理論結(jié)果的全部，但實驗只是證實了基于模型預(yù)言的一部分；(c)模型預(yù)言覆蓋了關(guān)于實際系統(tǒng)理論結(jié)果的一部分，實驗也只是證實了“模型預(yù)言”；(d)模型預(yù)言不能覆蓋實際系統(tǒng)物理的全部，實驗也只是符合模型部分不準確預(yù)言，證實與否甚至與實際系統(tǒng)無關(guān)

一個好的理論-實驗的結(jié)合工作，必須是雙盲的、背靠背的，否則的話就會出現(xiàn)互相人為擬合趨同的科學(xué)誠信問題，評價實驗驗證理論工作的優(yōu)劣，可以根據(jù)圖5所示的理論-模型-實際物理三者關(guān)系分為4 個級次。很明顯, 到了第3、4 級很可能就走進了學(xué)術(shù)誠信的灰色地帶。一些主觀的因素，完全有可能驅(qū)使科學(xué)家依據(jù)第3、4 級的“實驗驗證”做出“重大科學(xué)結(jié)論”。一個好的理論物理成果，要獨立放在那里，實驗物理學(xué)家背靠背獨立地驗證它的預(yù)言。一個好的實驗，要開放所有認真測量得到的數(shù)據(jù)，最好讓不同理論組背靠背地解釋新發(fā)現(xiàn)。事實上，當代物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)幾乎沒有幾個是理論和實驗直接合作在一起發(fā)表的。

毫無疑問，物理學(xué)本身是一門基于實驗的科學(xué)。既然理論物理是物理學(xué)的學(xué)科分支，其正確與否最終就必須回歸到實驗檢驗。然而，作為一個綜合交叉的核心學(xué)科，理論物理發(fā)展必須立足于遍歷整個發(fā)展過程、足夠多的實驗總和之上、發(fā)現(xiàn)共性規(guī)律，一時一地的處理個別實驗現(xiàn)象不是理論物理的核心任務(wù)。因此，在物理學(xué)發(fā)展過程中間，有的階段性理論研究，開始可能看不到實驗檢驗的可能，但其進一步拓展和改進卻可以導(dǎo)致重大突破和科學(xué)革命，廣義相對論和規(guī)范場論是這方面的典型例證。必須強調(diào)，雖然理論必須聯(lián)系實際、實驗必須基于理論，但實驗的目的也不只是去證實理論，理論的目的不只是去解釋實驗。實驗應(yīng)該去發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新效應(yīng)和新物質(zhì)，理論要找到新規(guī)律、建立新方法。物理學(xué)的發(fā)展不應(yīng)當僅僅追求理論和實驗的短時實現(xiàn)的“結(jié)合”。

走向“美而有用”的科學(xué)研究——“應(yīng)用理論物理”

文章通過理解楊振寧先生對理論物理發(fā)展前景的看法，進一步強調(diào)，理論物理未來的發(fā)展趨勢可能是“應(yīng)用理論物理（Applied Theoretical Physics）”：借助理論物理的思想、模型和數(shù)學(xué)工具，以應(yīng)用為目的、研究主要包括人工復(fù)雜系統(tǒng)在內(nèi)的客觀系統(tǒng)，探索其物質(zhì)-能量、時間-空間和信息-結(jié)構(gòu)及其相互作用和運動演化規(guī)律，從中概括和歸納出具有普遍意義的基本理論，大大拓展傳統(tǒng)理論物理只是關(guān)于自然物質(zhì)系統(tǒng)的探究。

其實，面對當代實驗科學(xué)日趨復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)和巨大經(jīng)費需求，理論物理對物理學(xué)發(fā)展必須發(fā)揮更大的引領(lǐng)作用，對高新技術(shù)的發(fā)展方向提供判定性的科學(xué)依據(jù)；理論物理學(xué)面對非自然的人工系統(tǒng)，要適應(yīng)物質(zhì)科學(xué)從觀測解釋階段進入自主調(diào)控的新時代，變自在之物為為我之物。同時還要強調(diào)，理論物理學(xué)未來將會在對具體系統(tǒng)的實際應(yīng)用中實現(xiàn)自身創(chuàng)新發(fā)展。事實上，近二十年來，在材料、能源乃至生命方面的實驗發(fā)現(xiàn)(如生物磁導(dǎo)航、光合作用中的量子效應(yīng)等)，在傳統(tǒng)的理論物理框架下難以得到解釋，新的理論物理創(chuàng)新也迫在眉睫，以此讓相關(guān)應(yīng)用研究跨上一個新的歷史臺階，反過來也提供更多理論物理的引領(lǐng)作用發(fā)揮到極致的場所。2021 年諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給作為復(fù)雜系統(tǒng)的地球物理和氣候的研究，或多或少代表了這樣一種趨勢。

當然，由于物質(zhì)世界極為紛繁復(fù)雜，理論物理問題的解析求解不足以涵蓋復(fù)雜系統(tǒng)的全部特征，如非微擾和高度非線性。因此，理論物理的一個重要發(fā)展趨勢是基礎(chǔ)理論與強大的現(xiàn)代計算手段相結(jié)合，使得理論物理預(yù)言更加定量化和精密化。計算物理和計算數(shù)學(xué)因此應(yīng)運而生，成為連接物理實驗和理論模型必不可少的紐帶。由于應(yīng)用理論物理面臨的對象復(fù)雜而多變，這些計算技術(shù)相關(guān)的發(fā)展，也是應(yīng)用理論物理應(yīng)著力倚重的。

最后指出，應(yīng)用理論物理學(xué)在國防安全等國家重大需求上會有更大的用武之地，發(fā)揮更大的作用。二戰(zhàn)后美歐開啟了物理學(xué)大科學(xué)工程發(fā)展的新時代，基于大型加速器的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)也反過來為理論物理學(xué)提供廣闊的用武之地。國防安全方面等國家重大需求往往與大科學(xué)工程密切聯(lián)系，由此會提出自由探索中不易產(chǎn)生的重要基礎(chǔ)科學(xué)問題，國防和國家安全方面的重大需求在對理論物理不斷提出新挑戰(zhàn)的同時，也可能為理論物理研究提供了持續(xù)源頭創(chuàng)新的平臺：在實踐應(yīng)用中，凝練和發(fā)掘理論物理能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用的科學(xué)問題，在理論的原始創(chuàng)新方面取得重大突破，這方面的研究將成為理論物理發(fā)展的一個新趨勢。

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