我心中的理论物理

董锐锋

爱因斯坦说过,世界上除了音乐外,最美妙的东西就是理论物理了。千变万化的世界在理论物理学家的眼中往往很简单,并且他们一直在忙碌着的事情就是用最简单的“语言”描述世界。

可爱的理论物理

什么是理论物理?这个问题不是每个人都能回答的。可能很多同学认为,理论物理就是数学,或者比数学更难,当年我就是抱着这种想法报考的南开大学物理学专业。高中物理留给我的印象是,用给定的几个简单的定律和原理去处理一个实际问题,而这个过程一般只有数学推演,最多再加上某些物理限制,比如质量大于零、温度高于0K,等等。而且物理给人的感觉是理论越是高级,其需要的数学工具就越高级复杂。不只一位教授上课时给我们讲过,物理不是数学,数学好的人能做物理,但只能做很低级的物理,而物理学家做物理研究用的是想法、洞察力和创造力。就是这几句简单的话,我琢磨了三年才有所体会。学习广义相对论时不只一次发觉,好的理论不在于它优美的数学描述和严谨的逻辑结构,更重要的是它经过物理加工后表现出的预言能力。比如,在简单的直角坐标下表示Kruskal坐标面上质点的运动,就奇迹般的得出黑洞和白洞存在的预言,这远非数学所能及。

物理是困难而又简单的。说它困难,是指搞物理的人要有较强的数学能力,数学是定量处理物理问题的工具,应该熟练的掌握它,但这不是最重要的原因。它的困难更在于做理论的人要有耐心和毅力,研究物理会经常让你觉得前方一片昏暗,找不到正确思路,也找不到难点所在,软弱者在这时很可能放弃,而伟大的结果往往是在这个时候产生的。做物理是最需要“南开精神”的,就是南开大学张伯苓校长的警言:怕难的不必来,求安逸的不必来,好奉承的不必来,服了这口气的不必来。在一次师生座谈会上,南开大学的一位老教授教导我们,要做好物理,聪明和敏锐都不是最重要的,最重要的是耐心和自信心。前沿领域的研究人员常处在“对”与“错”的分界线上,不能肯定自己的理论是无误的和有用的,但他们会先自认为正确,继续做下去,百家争鸣才能优胜劣汰,物理才能进步。

我之所以说物理是简单的,在于物理处理的是最简单的问题,比如金属为什么会导电,电灯为什么会发光,石头为什么是硬的……有些问题甚至让某些人觉得根本不是问题,比如说为什么我们会存在,太阳为什么看起来是圆的,等等。有人会问,“你们解决这些问题有什么用?”答案是:有一部分问题的解决会直接导致生产力(计算机的产生不可不说是固体理论的成果);有一部分问题的解决未来可能转化为生产力,如量子计算研究、太阳能研究、凝聚态研究;而其余的也是大部分的问题的解决,则只是为了满足人类固有的好奇心,这便是物理的“可爱”之处。

当今的理论物理

理论物理是个突飞猛进的学科,发展出的研究方向数不胜数,与其它学科(生物学、天文学、化学、哲学等)也有着不同程度的联系。

在此简单列举我所了解到的目前学科前沿的一些进展,供有兴趣的读者参考。

理论物理三个大的方向吸引了大部分物理学家的眼光,这也正是我们南开大学理论物理的主攻方向。

一是粒子物理。大家都知道,标准模型(Standard Model)已成功解决了统一电磁作用和弱相互作用的问题,对强相互作用的统一的努力一直还在进行,这也是核子物理的一个重要题目。但大统一理论即电、弱、强和引力的统一,至今仍没有出路,问题集中出现在量子理论与广义相对论的矛盾之中。然后,就诞生了超对称模型(Supersymmetry)、弦理论(String Theory),正在火热研究中,但从物理上来讲,这些研究还远远不够。其一是理论的很多预测无法在实验中实现,比如弦理论要求的超高能量检验,远远超过现在加速器的能量指标。其二是对很多现象还不能作出满意解释,比如CP破坏机制、引力场的量子化、宇宙中的暗物质的成分及暗能量的来源,等等,这些问题是基本的。CP破坏的解释将回答为什么我们世界存在而反世界不存在,或者说得更科幻一些,就是外星人会不会存在的问题。暗物质的暗能量的存在及组成的澄清则会告诉我们宇宙的基本形貌和运动变化,更新人们的宇宙观念甚至引发新的哲学思考,当然这只是副产品。

二是核物理和核子物理,这是一个老问题。自从卢瑟福散射实验以来,人们对原子核的次级结构就没有停止过探索。从查德威克发现中子,汤川秀树预言出介子,李政道、杨振宁提出弱相互作用宇称不守恒,盖尔曼提出强子夸克模型,到费米实验室顶夸克的发现,人们对核结构的认识逐渐深入,但遗留的问题也不少。一是对现有基本粒子的质量的解释,Higgs机制可能提供答案(当然也不是最终的答案,因为Higgs粒子本身的质量仍无着落),这还有赖于欧洲核子中心(CERN)的LHC加速器实验的观测;另外还有轻子的结构问题、自由夸克存在问题、以及量子色动力学(QCD)的中高能和低能区的应用等,这诸多问题的解决,将是此领域物理学家们的一个长期目标,也需要更多的年轻人加入此行列。

除此之外,我想再简单提一下非线性物理的进展,因为我对这方面的了解比较有限。非线性物理是一个较新的物理分支,其研究方法也较其它分支有所不同,同大气物理、生物学和信息科学的联系较多。现在研究中心集中在以下几个方面:孤立子理论、分形理论、复杂系统、混沌理论、量子混沌理论、耗散结构和自组织问题。其中混沌理论和复杂系统是南开大学物理系的主要研究重点。

南开大学的理论物理专业

可爱的教授

南开大学的理论物理专业汇集了12位教授和6位副教授,其中有六七十岁的老人,也有二十多岁的小伙;有的喜欢谈笑风生,有的喜欢沉默。虽性格各异,他们却有一个共同的特点:可爱。记得讲授理论力学的刘老师经常在课间几分钟讲一些趣事,有一次谈到开会时说,“开会时看到那些搞文学、经济、管理的老师,个个西装革履,严肃的要命;再看看我们搞物理的,穿着T恤,有的还嚼着口香糖……”在后来的一次学术报告会上,刘老师的这段话被证实了。搞物理的人往往不太注意形象,或者无暇注意这些细小的问题。他们更注意的是好的想法,所以常常告诫我们有了新的想法时,一定要找他们讨论。是不是很“可爱”啊!还记得讲授数学物理方法的缪老师喜欢给我们讲他在德国、日本留学时的事情,每次讲完都会像孩子般“傻傻”地笑笑,惹得整个教室的人哄堂大笑,而老师却以为我们是因他讲的故事而笑,故又得意地笑……

而就是这些可爱的老师在做着最不平凡的工作,有的研究核物理,有的研究宇宙学,有的做超弦理论,有的做非线性物理,在各自的领域做着杰出的研究,仅2006年一年发表在SCI的文章就有42篇;他们的教育工作也做得很优秀,还记得2008年李老师和魏老师的学生获得了全国优秀博士论文奖……

我们的学习

我们专业的本科生活还是比较“紧张”的,但我觉得用“充实”这个词来说更恰当一些。除了学校的公共课程(有高等数学、线性代数、V++编程、外语、政治历史、军事学概论等)和物理学院的公有专业课(包括力、热、光、电、计算物理、基础实验和近代物理实验)外,我们物理学专业的课程分基础课和选修课两类,基础课有理论力学、电动力学、热力学与统计物理、量子力学、数学物理方法、固体物理等,选修课有粒子物理导论、原子核理论导论、大气物理导论、量子场论导论。当然课程比较繁重一些,这也是基础学科的特点。另外,如果感兴趣的话,很多研究生的课程也可以去听,如量子场论、群论、广义相对论等;还有一些数学系的课程也可以去听,如抽象代数、微分几何等,在以后的学习和科研中都会接触到,所以提前建立一些概念,对于有志于理论物理的人来说也是一件乐事和幸事。

我们的物理生活

全国有14个物理学基地,其中有一个就设在南开大学物理学系。很幸运,我就是基地班的成员之一。我们基地班集中了学院最优秀的学生,给我们提供了学习和交流的平台。大约每周举行一次的“今日物理”学术讲座已经成为我们生活的一部分,每次都会邀请到国内外知名的学者讲各自领域的最新进展,杨振宁、何祚庥、赵凯华、苏汝铿等老前辈都曾在这个讲台上同大家交流,把我们带向科学的最前沿。当然,本系的一些教授也有自己的小型讨论会,如果你有兴趣,也可以借此机会同老师和各年级的同学交流心得、共同进步。比如缪老师组织的Candy Group讨论会,基本上两周讨论一次,每次有十个左右同学参加。缪老师非常亲切,发完candies之后就和大家交流最近两周的学习情况,询问大家有何收获、问题、打算和想法。大家讨论非常积极,这15分钟往往过得很快。接着会有一位研究生师兄给我们讲某个前沿领域的情况,如非对易时空、弦理论、超导理论等,每次或者每两次讲一个话题,每一次讨论会上大家提的问题都很多,争论不断。另外,我们专业的老师都很喜欢和同学交流(面对面或者Email),了解我们在学习上的问题,也回答我们提出的各种疯狂的科普问题,完善知识结构,并把他们在工作中的感悟和体会告诉我们。学习物理需要一个好的环境,正如种花需要一片沃土一样,南开大学物理系这片沃土给了我成长的动力。

我们的未来不是梦

我从小就有一个理想——做一个科学家,而这一直只是个梦。但现在我觉得它已不再只是一个遥远的梦,它在南开的土地上已经茁壮成长,我的信心也已成长。毕业后,有些同学参加工作了,各行各业都有,有做信息产业的,有做机械的,有做金融的,有做股票的……。一位老教授说过,“物理给你们的不只是这有限的知识,而是一种物理的思维方式,这是最重要的。这种思维的熏陶会让你们在以后的工作生活中受益匪浅,各行各业的大门都会向你们敞开。”当然这些同学只占理论物理专业的一小部分(不超过20%),因为大多数同学还是想在自己感兴趣的方向继续从事理论物理研究,故大学和研究机构更受大家青睐。有很多同学会选择出国深造,去更好的环境发展自己。还有一些同学留在国内读研究生,我就是其中之一,已经被北京大学一位著名教授接受攻读博士学位。

国内有很多不错的理论物理研究机构,如北京大学、南京大学、南开大学、中科大、中科院物理所、南开陈省身数学所等等,虽说毕业后会各奔东西,但无论到哪儿,南开大学物理系的学生都会受到欢迎。

责任编辑刘佳