孙昌璞：理论物理的六个趋势

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❖孙昌璞院士

物理学是研究物质及运动规律的基础科学。其研究内容可以概括为以下两个方面：第一、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相互作用规律；第二、面对由大量个体组元构成的复杂体系，探索超越个体特性的、“演生”出来的有序和合作现象。这两方面代表了两种基本的科学观——还原论（reductionism）和演生论（emergence）。前者把物质性质归结为其微观组元间的相互作用，旨在建立从微观出发的终极统一理论，是一代又一代物理学家的科学梦想；后者强调多体系统的整体有序和合作效应，把不同层次“演生”出来的规律当成自然界的基本规律加以探索。它涉及从固体系统到生命软凝聚态等各种多体系统，直接联系关乎日常生活的实际应用。

现代物理学通常从理论和实验两个角度探索以上的重大科学问题。利用科学实验方法，通过对自然界的主动观测，辅以理论模型或哲学上思考，先提出初步的科学理论假设，然后借助进一步的实验对此进行判定性检验。最后，据此用严格的数学语言精确、定量表达一般的科学规律，并由此预言更多新的、可以被实验再检验的物理效应。当现有的理论无法解释一批新的实验发现，物理学就要面临前所未有的挑战，有可能产生重大突破、诞生的新理论。新的理论在解释已有实验结果的同时，还将给出更一般的理论预言，引发新的实验研究。物理学研究这些内禀特征，决定了理论物理学作为一门独立学科存在的必要性以及在当代自然科学中的核心地位。

理论物理学立足于科学实验和观察，借助数学工具、逻辑推理和观念思辨，研究物质的时空存在形式及其相互作用规律，从中概括和归纳出具有普遍意义的基本理论。由此不仅可以描述和解释自然界已知的各种物理现象，而且还能够预言此前未知的物理效应。需要指出，理论物理学通过当代数学语言和思想框架，使得物理定律得到更为准确的描述。沿循这个规律，作为理论物理学最基础的部分，20世纪初诞生的相对论和量子力学今天业已成为当代自然科学的两大支柱，奠定了理论物理学在现代科学中的核心地位。统计物理学基于概率统计和随机性的思想处理多粒子体系的运动，是二者的必要补充。量子规范场论从对称性的角度描述微观粒子的基本相互作用，为自然界四种基本相互作用的统一提供坚实的基础。

关于理论物理的重要作用和学科发展趋势，我们分六点简述如下。

1、理论物理研究纵深且广泛，其理论立足于全部实验的总和之上。由于物质结构是分层次的，每个层次上都有自己的基本规律，不同层次上的规律又是互相联系的。物质层次结构及其运动规律的基础性、多样性和复杂性不仅为理论物理学提供了丰富的研究对象，而且对理论物理学家提出巨大的智力挑战，激发出人类探索自然的强大动力。因此，理论物理这种高度概括的综合性研究，具有显著的多学科交叉与知识原创的特点。在理论物理中，有的学科（诸如粒子物理、凝聚态物理等），与实验研究关系十分密切，但还有一些更加基础的领域（如统计物理、引力理论和量子基础理论），它们一时并不直接涉及实验。虽然物理学本身是一门实验科学，但物理理论是立足于长时间全部实验总和之上，而不是只针对个别实验。虽然理论正确与否必须落实到实验检验上，但在物理学发展过程中间，有的阶段性理论研究和纯理论探索性研究，开始不必过分强调具体的实验检验。其实，导致重大科学突破甚至科学革命的广义相对论、规范场论和玻色-爱因斯坦凝聚就是这方面的典型例证，它们从纯理论出发，实验验证却等待几十年、甚至近百年。近百年前爱因斯坦广义相对论预言了一种以光速传播的时空波动——引力波。直到2016年2月，美国科学家才宣布人类首次直接探测到引力波。引力波的预言是理论物理发展的里程碑，它的观察发现将开创一个崭新的引力波天文学研究领域，更深刻地揭示宇宙奥秘。

2、面对当代实验科学日趋复杂的技术挑战和巨大经费需求，理论物理对物理学的引领作用必不可少。第二次世界大战后，基于大型加速器的粒子物理学开创了大科学工程的新时代，也使得物理学发展面临经费需求的巨大挑战。因此，伴随着实验和理论对物理学发展发挥的作用有了明显的差异变化，理论物理高屋建瓴的指导作用日趋重要。在高能物理领域，轻子和夸克只能有三代是纯理论的结果，顶夸克和最近在大型强子对撞机（LHC）发现的Higgs粒子首先来自理论预言。当今高能物理实验基本上都是在理论指导下设计进行的，没有理论上的动机和指导，高能物理实验如同大海捞针、无从下手。可以说，每一个大型粒子对撞机和其它大型实验装置，都与一个具体理论密切相关。天体宇宙学的观测更是如此。天文观测只会给出一些初步的宇宙信息，但其物理解释必依赖于具体的理论模型。宇宙的演化只有一次，其初态和末态迄今都是未知的。宇宙学的研究不能像通常的物理实验那样，不可能为获得其演化的信息任意调整其初末态。因此，仅仅基于观测，不可能构造完全合理的宇宙模型。要对宇宙的演化有真正的了解、建立自洽的宇宙学模型和理论，就必须立足于粒子物理和广义相对论等物理理论。

3、理论物理学本质上是一门交叉综合科学。大家知道，量子力学20世纪的奠基性科学理论之一，是人们理解微观世界运动规律的现代物理基础。它的建立，导致了以激光、半导体和核能为代表的新技术革命，深刻地影响了人类的物质、精神生活，已成为社会经济发展的原动力之一。然而，量子力学基础却存在诸多的争议，哥本哈根学派对量子力学的“标准”诠释遭遇诸多挑战。不过这些学术争论不仅促进了量子理论自身发展，而且促使量子力学走向交叉科学领域，使得量子物理从观测解释阶段进入自主调控的新时代，从此量子世界从自在之物变成为我之物。近二十年来，理论物理学在综合交叉方面的重要进展是量子物理与信息计算科学的交叉，由此形成了以量子计算、量子通信和量子精密测量为主体的量子信息科学：它充分利用量子力学基本原理，基于独特的量子相干进行计算、编码、信息传输和精密测量，探索突破芯片极限、保证信息安全的新概念和新思路。统计物理学为理论物理研究开拓了跨度更大的交叉综合领域，如生物物理和软凝聚态物理。统计物理的思想和方法不断地被应用到各种新的领域，对其基本理论和自身发展提出了更高的要求。由于软物质是在自然界中存在的最广泛的复杂凝聚态物质，它处于固体和理想流体之间，与人们的日常生活及工业技术密切相关。例如，水是一种软凝聚态物质，其研究涉及的基础科学问题关乎人类社会今天面对的水源危机。

4、理论物理学在对具体系统应用中实现创新发展，并在基本的层次上回馈自身。从量子力学和统计物理对固体系统的具体应用开始，近半个世纪以来凝聚态物理学业已发展成当代物理学最大的一个分支。它不仅是材料、信息和能源科学的基础，也与化学和生物等学科交叉与融合，而其中发现的新现象、新效应，都有可能导致凝聚态物理一个新的学科方向或领域的诞生，为理论物理研究展现了更加广阔的前景。一方面，凝聚态物理自身理论发展异常迅猛和广泛，描述半导体和金属的能带论和费米液体理论为电子学、计算机和信息等学科发展的奠定了理论基础；另一方面，从凝聚态理论研究提炼出来的普适的概念和方法，对包括高能物理其它物理学科的发展也起到了重要的推动作用。BCS超导理论中的自发对称破缺概念，被应用到描述电弱相互作用统一的Yang-Mills 规范场论，导致了中间玻色子质量演生的Higgs机制，这是理论物理学发展的又一个重要里程碑。近二十年来，在凝聚态物理领域，有大量新型低维材料的合成和发现，有特殊功能的量子器件的设计和实现，有高温超导和拓扑绝缘体等大量新奇量子现象的展示。这些现象不能在以单体近似为前提的费米液体理论框架下得到解释，新的理论框架建立已迫在眉睫，如果成功将使凝聚态物理的基础及应用研究跨上一个新的历史台阶，也会为理论物理的引领作用发挥到极致。

5、理论物理的一个重要发展趋势是理论模型与强大的现代计算手段相结合。面对纷繁复杂的物质世界（如强关联物质和复杂系统），简单可解析求解的理论物理模型不足以涵盖复杂物质结构的全部特征，如非微扰和高度非线性。现代计算机的发明和快速发展提供了解决这些复杂问题的强大工具。辅以面向对象的科学计算方法（如第一原理计算、蒙特卡罗方法和精确对角化技术），复杂理论模型的近似求解将达到极高的精度，可以逐渐逼近真实的物质运动规律。因此，在解析手段无法胜任解决复杂问题任务时，理论物理必须通过数值分析和模拟的办法，使得理论预言进一步定量化和精密化。这方面的研究导致了计算物理这一重要学科分支的形成，成为连接物理实验和理论模型必不可少的纽带。

6、理论物理学将在国防安全等国家重大需求上发挥更多作用。大家知道，无论决胜第二次世界大战、冷战时代的战略平衡，还是中国国家战略地位提升，理论物理学在满足国家重大战略需求方面发挥了不可替代的作用。理论物理学家爱因斯坦、奥本海默、费米、彭桓武、于敏、周光召等人也因此彪炳史册。与战略武器发展息息相关，二战后开启了物理学大科学工程的新时代，基于大型加速器的重大科学发现反过来为理论物理学提供广阔的用武之地，如标准模型的建立。国防安全方面等国家重大需求往往会提出自由探索不易提出的基础科学问题，在对理论物理提出新挑战的同时，也为理论物理研究提供了源头创新的平台。因此，理论物理也要针对国民经济发展和国防安全方面等国家重大需求，凝练和发掘自己能够发挥关键作用的科学问题，在实践应用和理论原始创新方面取得重大突破。

为了全方位支持我国理论物理事业长足发展，1993年国家自然科学基金委员会设立“理论物理专款”，并成立学术领导小组（首届组长是我国著名理论物理学家彭桓武先生）。多年来，它凝聚了我国理论物理学家集体智慧，不断探索符合理论物理特点和发展规律的资助模式，培养理论物理优秀创新人才做出杰出的研究成果，对国民经济和科技战略决策进行了指导和咨询。为了更全面地支持我国的理论物理事业，“理论物理专款”持续支持我们编辑出版这套《21世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书》, 目的是要系统全面介绍现代理论物理及其交叉领域的基本内容及其学科前沿发展，以及中国理论物理学家科学贡献和所取得的主要进展。希望这套丛书能帮助大学生、研究生、博士后、青年教师和研究人员全面了解理论物理学研究进展，培养对物理学研究的兴趣，迅速进入理论物理前沿研究领域，同时吸引更多的年轻人献身理论物理学事业，为我国的科学研究在国际上占有一席之地作出自己的贡献。

孙昌璞

中国科学院院士，发展中国家科学院院士

国家自然科学基金委员会“理论物理专款”学术领导小组组长