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當(dāng)代理論物理發(fā)展趨勢之我見 |《物理學(xué)報(bào)》觀點(diǎn)和展望

 菌心說 2022-01-16
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“觀點(diǎn)和展望”是《物理學(xué)報(bào)》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(jìn)展和未來發(fā)展的見解和觀點(diǎn)，可以圍繞某個(gè)研究方向一段時(shí)間內(nèi)的幾篇相關(guān)論文進(jìn)行點(diǎn)評，也可以是對某個(gè)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(bào)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(jì)算科學(xué)研究中心教授。

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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(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定和人工循環(huán)原子等得到諸多實(shí)驗(yàn)證實(shí)，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(dòng)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。
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文章信息

當(dāng)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(bào). 2022, 71(1): 010101

DOI: 10.7498/aps.71.20212307

原文鏈接           PDF

| 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(shí)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(dāng)代理論物理發(fā)展趨勢提出一些個(gè)人的看法。文章將通過具體實(shí)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(shí)間內(nèi)可以與直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)證實(shí)的關(guān)系進(jìn)行較為深入的討論。文章還強(qiáng)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(dòng)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。



01




從物理理論到理論物理

物理學(xué)是研究物質(zhì)及運(yùn)動(dòng)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(biāo)度和更小的時(shí)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(gè)體組元構(gòu)成的復(fù)雜體系，探索超越個(gè)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(shí)，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(shí)驗(yàn)進(jìn)行主動(dòng)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行判定性檢驗(yàn)，并用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)語言精確、定量地表達(dá)其一般的科學(xué)規(guī)律—物理定律，由此可以進(jìn)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(dú)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(gè)學(xué)科分支都有自己的理論，但貫穿各個(gè)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(gè)分支理論集合起來，而是把它們相干地融合成一個(gè)理論總體。




02




理論物理多元價(jià)值觀基于“美”的統(tǒng)一

物理學(xué)不同分支領(lǐng)域的價(jià)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(shí)間(如證實(shí)Higgs機(jī)制用了50 多年)。因此，判斷一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(jì)、易實(shí)現(xiàn)的桌面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能否有即時(shí)的證實(shí)有時(shí)會成為一個(gè)可操作的價(jià)值判斷標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)理論好壞的價(jià)值觀自然就是多元化的，而多元化必有一定程度的價(jià)值觀沖突，導(dǎo)致價(jià)值判斷的困境。

理論物理學(xué)價(jià)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(jià)值選擇的共識突破理論物理多元價(jià)值沖突的困境呢? 我的答案是，楊振寧先生多次強(qiáng)調(diào)的“美”的價(jià)值判斷可以作為統(tǒng)一其多元化價(jià)值觀更高層次的標(biāo)準(zhǔn)。而愛因斯坦、狄拉克和楊振寧本人的具體科學(xué)實(shí)踐可以佐證“美”的標(biāo)準(zhǔn)的合理性。因?yàn)槲锢砝碚撝涝谟谧匀晃镔|(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(jià)值觀的基本理由包含在數(shù)學(xué)的價(jià)值觀當(dāng)中：大道至簡，“理當(dāng)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。



03




理論物理與實(shí)驗(yàn)關(guān)系“非常談”

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家對“理論”有時(shí)會盲目地深信不疑，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用主觀傾向錯(cuò)誤理論預(yù)言的嚴(yán)重科學(xué)問題。其實(shí)，實(shí)驗(yàn)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(shí)際系統(tǒng)的描述，他們有時(shí)可能忘記了近似成立的條件有時(shí)會十分苛刻。作者認(rèn)為，物理學(xué)家應(yīng)當(dāng)在更深的層次上理解理論和實(shí)驗(yàn)關(guān)系及其出現(xiàn)的問題: 1) 有理論上的嚴(yán)重誤解——錯(cuò)把有效模型當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)；2) 有理論上的跟風(fēng)——沒有細(xì)致地考察理論預(yù)言成立的條件；3) 實(shí)驗(yàn)上的結(jié)論盲從“理論”——過于認(rèn)為實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)重要性依賴“理論”；4) 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們必須追問到底實(shí)驗(yàn)“驗(yàn)證”了什么? 一個(gè)真實(shí)的物理系統(tǒng)，一個(gè)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，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(shí)候驗(yàn)證的只是近似化后模型的預(yù)言，而非關(guān)于真實(shí)系統(tǒng)的理論結(jié)果。在量子物理模擬的實(shí)驗(yàn)中，此類問題甚多，必須提高警惕。
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圖5   證實(shí)“理論”實(shí)驗(yàn)的分級(實(shí)際物理-模型-實(shí)驗(yàn)的“距離”決定了“實(shí)驗(yàn)證實(shí)”工作的好壞)　(a)模型預(yù)言覆蓋了實(shí)際系統(tǒng)的全部物理，實(shí)驗(yàn)正好證實(shí)了模型預(yù)言；(b)雖然模型預(yù)言覆蓋了實(shí)際系統(tǒng)理論結(jié)果的全部，但實(shí)驗(yàn)只是證實(shí)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(shí)際系統(tǒng)理論結(jié)果的一部分，實(shí)驗(yàn)也只是證實(shí)了“模型預(yù)言”；(d)模型預(yù)言不能覆蓋實(shí)際系統(tǒng)物理的全部，實(shí)驗(yàn)也只是符合模型部分不準(zhǔn)確預(yù)言，證實(shí)與否甚至與實(shí)際系統(tǒng)無關(guān)

一個(gè)好的理論-實(shí)驗(yàn)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(jià)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論工作的優(yōu)劣，可以根據(jù)圖5所示的理論-模型-實(shí)際物理三者關(guān)系分為4 個(gè)級次。很明顯, 到了第3、4 級很可能就走進(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”做出“重大科學(xué)結(jié)論”。一個(gè)好的理論物理成果，要獨(dú)立放在那里，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家背靠背獨(dú)立地驗(yàn)證它的預(yù)言。一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)，要開放所有認(rèn)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(shí)上，當(dāng)代物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)幾乎沒有幾個(gè)是理論和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。然而， 作為一個(gè)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(gè)發(fā)展過程、足夠多的實(shí)驗(yàn)總和之上、發(fā)現(xiàn)共性規(guī)律，一時(shí)一地的處理個(gè)別實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的可能，但其進(jìn)一步拓展和改進(jìn)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(qiáng)調(diào)，雖然理論必須聯(lián)系實(shí)際、實(shí)驗(yàn)必須基于理論，但實(shí)驗(yàn)的目的也不只是去證實(shí)理論，理論的目的不只是去解釋實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(dāng)僅僅追求理論和實(shí)驗(yàn)的短時(shí)實(shí)現(xiàn)的“結(jié)合”。



04




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(jìn)一步強(qiáng)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(shí)間-空間和信息-結(jié)構(gòu)及其相互作用和運(yùn)動(dòng)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(shí)，面對當(dāng)代實(shí)驗(yàn)科學(xué)日趨復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)和巨大經(jīng)費(fèi)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(jìn)入自主調(diào)控的新時(shí)代，變自在之物為為我之物。同時(shí)還要強(qiáng)調(diào)，理論物理學(xué)未來將會在對具體系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)自身創(chuàng)新發(fā)展。事實(shí)上，近二十年來，在材料、能源乃至生命方面的實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jiǎng)?lì)C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(dāng)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(gè)重要發(fā)展趨勢是基礎(chǔ)理論與強(qiáng)大的現(xiàn)代計(jì)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(jì)算物理和計(jì)算數(shù)學(xué)因此應(yīng)運(yùn)而生，成為連接物理實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)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(shí)，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(shí)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(gè)新趨勢。

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