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当代理论物理发展趋势之我见

本文是孙昌璞院士的一篇评述,作者结合学习杨振宁科学思想的体会,并联系自己在理论物理研究方面的科学实践(包括在1992-1994年跟随杨先生对量子开系统、超导相变和冷原子物理方面的探索),对当代理论物理发展趋势提出一些个人的看法。文章将通过具体实例,阐述为什么要做“美或有用”的理论物理;为什么基本物理的理论在一段时间内可以与直接的实验验证保持距离?对于后者,文章还从科学方法论 (哲学) 的角度就理论预言与实验证实的关系进行较为深入的讨论。文章还强调了“有用”的理论物理——应用理论物理,指出国家需求驱动的科学研究与自由探索一样,也会导致基础物理的重要突破。

1、从物理理论到理论物理

物理学是研究物质及运动规律的科学。其研究内容可以概括为两大方面:1) 在更高的能量标度和更小的时空尺度上,探索物质世界的深层次结构及其演化规律;2) 面对由大量个体组元构成的复杂体系,探索超越个体的、“演生”出来的有序和合作现象。上述两方面的追求体现了两种基本的科学观——还原论(reductionism) 和演生论 (emergence)。围绕着“还原论”和“演生论”,物理学形成了不同的学科分支。前者有粒子物理、核物理和原子分子物理等,而后者包含凝聚态物理、等离子体物理和激光物理等。物理的理论基础是“四大力学”,但它们又各自发展出相关的理论,如激光理论、固体理论等。

作为物理学的分支学科,理论物理常常被质疑:既然物理学不同的学科分支有各自的物理理论,为什么还需要有理论物理? 理论物理的典型学科特征是什么? 关于发展物理理论还是理论物理在我国曾经有过一些学术争论。

其实,为了基于“还原论”和“演生论”描述物质世界,物理学采取的科学手段是利用实验进行主动的观测。它通过建立理论模型或基于哲学思考,提出初步的科学理论假设,然后借助新的实验进行判定性检验,并用严格的数学语言精确、定量地表达其一般的科学规律—物理定律,由此可以进一步预言新的物理效应,并应用到新的领域。物理学研究方法的这些内禀特征,决定了理论物理学作为一门独立学科存在的必要性,以及它在物质科学中具有核心的地位。

虽然物理学各个学科分支都有自己的理论,但贯穿各个分支有共同的规律,从而有普适共通的理论构成了理论物理学科,因此理论物理具有本质交叉的显著特征,它不仅仅是把物理学的各个分支理论集合起来,而是把它们相干地融合成一个理论总体。

2、理论物理多元价值观基于“美”的统一

物理学不同分支领域的价值观必定会有差异。基于“还原论”的高能粒子物理需要昂贵的大型科学装置,其成功需要更长的时间 (如证实Higgs机制用了50 多年)。因此,判断一个基于“还原论”的物理理论 (如量子场论和弦论) 的“好/坏”,并不能仅仅依据是否能被即时验证,而必须考量理论的基础性和预言的深度、广度。而凝聚态物理等演生论领域贴近日常生活,大多采用相对经济、易实现的桌面实验系统,能否有即时的证实有时会成为一个可操作的价值判断标准。

既然理论物理学是这些分支学科理论综合交叉,判断一个理论好坏的价值观自然就是多元化的,而多元化必有一定程度的价值观冲突,导致价值判断的困境。理论物理学价值观多元化困境会直接影响物理学的和谐发展。那么是否存在一种价值选择的共识突破理论物理多元价值冲突的困境呢? 我的答案是,杨振宁先生多次强调的“美”的价值判断可以作为统一其多元化价值观更高层次的标准。而爱因斯坦、狄拉克和杨振宁本人的具体科学实践可以佐证“美”的标准的合理性。因为物理理论之美在于自然物质有结构之美,而描述它的理论框架必有数学之美。

因此,“美”能够统一理论物理多元价值观的基本理由包含在数学的价值观当中:大道至简,“理当则简,品贵则简”。这种美不是人造的,是天道自然的基本属性,亘古有之。

3、理论物理与实验关系“非常谈”

实验物理学家对“理论”有时会盲目地深信不疑,从而导致实验数据使用主观倾向错误理论预言的严重科学问题。其实,实验物理学家看到的“理论”预言有可能只是某种“有效理论”的结果,或只是近似简化模型对实际系统的描述,他们有时可能忘记了近似成立的条件有时会十分苛刻。

作者认为,物理学家应当在更深的层次上理解理论和实验关系及其出现的问题: 1) 有理论上的严重误解——错把有效模型当实际系统;2) 有理论上的跟风——没有细致地考察理论预言成立的条件;3) 实验上的结论盲从“理论”——过于认为实验发现重要性依赖“理论”;4) 实验数据使用不客观——有取向地处理数据以拟合已有的“理论”。由此看来,谈及理论预言的实验验证,我们必须追问到底实验“验证”了什么? 一个真实的物理系统,一个实际的实验,跟理想模型都是有距离的,理论结果到模型给出的预言也是有距离的 (图5)。很多时候验证的只是近似化后模型的预言,而非关于真实系统的理论结果。在量子物理模拟的实验中,此类问题甚多,必须提高警惕。

图5 证实“理论”实验的分级(实际物理-模型-实验的“距离”决定了“实验证实”工作的好坏) (a)模型预言覆盖了实际系统的全部物理,实验正好证实了模型预言;(b)虽然模型预言覆盖了实际系统理论结果的全部,但实验只是证实了基于模型预言的一部分;(c)模型预言覆盖了关于实际系统理论结果的一部分,实验也只是证实了“模型预言”;(d)模型预言不能覆盖实际系统物理的全部,实验也只是符合模型部分不准确预言,证实与否甚至与实际系统无关

一个好的理论-实验的结合工作,必须是双盲的、背靠背的,否则的话就会出现互相人为拟合趋同的科学诚信问题,评价实验验证理论工作的优劣,可以根据图5所示的理论-模型-实际物理三者关系分为4 个级次。很明显,到了第3、4 级很可能就走进了学术诚信的灰色地带。一些主观的因素,完全有可能驱使科学家依据第3、4级的“实验验证”做出“重大科学结论”。一个好的理论物理成果,要独立放在那里,实验物理学家背靠背独立地验证它的预言。一个好的实验,要开放所有认真测量得到的数据,最好让不同理论组背靠背地解释新发现。事实上,当代物理学的重大发现几乎没有几个是理论和实验直接合作在一起发表的。

毫无疑问,物理学本身是一门基于实验的科学。既然理论物理是物理学的学科分支,其正确与否最终就必须回归到实验检验。然而, 作为一个综合交叉的核心学科,理论物理发展必须立足于遍历整个发展过程、足够多的实验总和之上、发现共性规律,一时一地的处理个别实验现象不是理论物理的核心任务。因此,在物理学发展过程中间,有的阶段性理论研究,开始可能看不到实验检验的可能,但其进一步拓展和改进却可以导致重大突破和科学革命,广义相对论和规范场论是这方面的典型例证。必须强调,虽然理论必须联系实际、实验必须基于理论,但实验的目的也不只是去证实理论,理论的目的不只是去解释实验。实验应该去发现新现象、新效应和新物质,理论要找到新规律、建立新方法。物理学的发展不应当仅仅追求理论和实验的短时实现的“结合”。

4、走向“美而有用”的科学研究——“应用理论物理”

文章通过理解杨振宁先生对理论物理发展前景的看法,进一步强调,理论物理未来的发展趋势可能是“应用理论物理(Applied Theoretical Physics)”:借助理论物理的思想、模型和数学工具,以应用为目的、研究主要包括人工复杂系统在内的客观系统,探索其物质-能量、时间-空间和信息-结构及其相互作用和运动演化规律,从中概括和归纳出具有普遍意义的基本理论,大大拓展传统理论物理只是关于自然物质系统的探究。

其实,面对当代实验科学日趋复杂的技术挑战和巨大经费需求,理论物理对物理学发展必须发挥更大的引领作用,对高新技术的发展方向提供判定性的科学依据;理论物理学面对非自然的人工系统,要适应物质科学从观测解释阶段进入自主调控的新时代,变自在之物为为我之物。同时还要强调,理论物理学未来将会在对具体系统的实际应用中实现自身创新发展。事实上,近二十年来,在材料、能源乃至生命方面的实验发现(如生物磁导航、光合作用中的量子效应等),在传统的理论物理框架下难以得到解释,新的理论物理创新也迫在眉睫,以此让相关应用研究跨上一个新的历史台阶,反过来也提供更多理论物理的引领作用发挥到极致的场所。

2021 年诺贝尔物理学奖颁发给作为复杂系统的地球物理和气候的研究,或多或少代表了这样一种趋势。当然,由于物质世界极为纷繁复杂,理论物理问题的解析求解不足以涵盖复杂系统的全部特征,如非微扰和高度非线性。因此,理论物理的一个重要发展趋势是基础理论与强大的现代计算手段相结合,使得理论物理预言更加定量化和精密化。计算物理和计算数学因此应运而生,成为连接物理实验和理论模型必不可少的纽带。由于应用理论物理面临的对象复杂而多变,这些计算技术相关的发展,也是应用理论物理应着力倚重的。最后指出,应用理论物理学在国防安全等国家重大需求上会有更大的用武之地,发挥更大的作用。

二战后美欧开启了物理学大科学工程发展的新时代,基于大型加速器的重大科学发现也反过来为理论物理学提供广阔的用武之地。国防安全方面等国家重大需求往往与大科学工程密切联系,由此会提出自由探索中不易产生的重要基础科学问题,国防和国家安全方面的重大需求在对理论物理不断提出新挑战的同时,也可能为理论物理研究提供了持续源头创新的平台:在实践应用中,凝练和发掘理论物理能够发挥关键作用的科学问题,在理论的原始创新方面取得重大突破,这方面的研究将成为理论物理发展的一个新趋势。

作者简介

孙昌璞 ,中国科学院院士,发展中国家科学院院士。中国工程物理研究院研究生院院长,北京计算科学研究中心教授。

1984年毕业于东北师大物理系,于南开大学获博士学位。曾任东北师大教授,中科院理论所研究员。长期从事量子物理、数学物理及量子信息基础理论研究,不少工作有长期的学术影响,如q-变形玻色子是领域分支开创性工作,预言的量子临界动力学不稳定和人工循环原子等得到诸多实验证实,澄清的量子热力学概念已经被写入多部专著。近年来,他具体从事有限系统和生命过程中的量子相干效应、复杂系统的可靠性和量子相变动力学等研究工作,并积极探索面向国家需求的基础研究模式的创新。

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