微觀世界 高維視角下的“局外人”

石艷美

如果沒有麥克斯韋在一個半世紀(jì)前建立的電磁理論，今天我們可能還無法享受手機(jī)和無線通信帶來的生活便利，人與人之間的遠(yuǎn)距離溝通還需要跨越千山萬水；如果沒有上世紀(jì)初愛因斯坦提出的狹義和廣義相對論，GPS導(dǎo)航也就無從談起，人類將會繼續(xù)迷失在自然制造的東西南北中；如果沒有黑洞理論支持，2016年美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的引力波只能說“不知所謂”……

長期以來，人們重視實際價值、現(xiàn)實意義帶來的肉眼可觀的成果產(chǎn)品，卻往往忽略了其基礎(chǔ)理論發(fā)現(xiàn)、建立時歷經(jīng)的漫長積累。當(dāng)然，這與基礎(chǔ)理論本身的性質(zhì)是密不可分的。“一直以來，基礎(chǔ)理論研究旨在追求自然界中的基本規(guī)律，而非具有實際產(chǎn)物的現(xiàn)實效益。認(rèn)識世界，掌握規(guī)律，從而改造生活這是基礎(chǔ)理論研究始終不變的宗旨。”蘭州大學(xué)物理學(xué)院教授劉玉孝如是解釋。

在理論物理研究領(lǐng)域摸爬滾打多年，劉玉孝深諳個中原委。“短時間內(nèi)，很難說純理論研究有什么用途，會帶來什么，但從長遠(yuǎn)來看，當(dāng)今的科技產(chǎn)品哪一樣也離不開它。所以，有一點是毫無疑問的，基礎(chǔ)研究必然會成為人類技術(shù)發(fā)展的源泉和原動力。”

他的話篤定、有力，是對研究本身的信任，也是對自我選擇的信服。多年來，他在這萬千現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)獨特的樂趣。在他看來，理論物理如同競技游戲一般，遠(yuǎn)觀復(fù)雜、難解，但細(xì)細(xì)品茗，真正理解便是另一番滋味。“當(dāng)用一個簡潔的公式表示出一系列繁雜的現(xiàn)象，就會發(fā)現(xiàn)其樂無窮。”于他而言，研究始于興趣，終于魅力。

走進(jìn)物理理論的“大觀園”

超弦理論、額外維、黑洞物理……當(dāng)這些生僻、晦澀的字眼躍然紙上，相信每一個非專業(yè)看客都會對此感到頭痛。它們是什么？它們又能做什么？

人類認(rèn)識自然世界，多數(shù)是采用理論去描述。逐古溯今，人們對于最小的基本單元的追求從未止步，從個體到分子、原子，再到現(xiàn)今最小的電子、夸克，這些粒子無不例外被看做點來研究，而引入有長度的弦作為基本粒子，則是在20世紀(jì)70、80年代才逐漸出現(xiàn)。

劉玉孝將發(fā)展演化娓娓道來。在自然界中，已知的相互作用有4種，即電磁相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相互作用和引力相互作用。其中，前三者已由量子力學(xué)和狹義相對論的結(jié)合統(tǒng)一，而廣義相對論描述的引力理論卻一直未被統(tǒng)一進(jìn)去。

愛因斯坦的后半生一直在尋找這種統(tǒng)一場論，即一個能在單獨的包羅萬象的數(shù)學(xué)框架下描寫自然界所有力的理論。然而，直至生命消逝他仍未能如愿。其中很重要的一個緣由便是：引力相互作用十分微弱，相比其他三者有著顯著的能級差別。研究表明，它和弱電相互作用之間的能標(biāo)差達(dá)到16個數(shù)量級。因此，這項被稱為規(guī)范層次問題的統(tǒng)一，至今仍是物理學(xué)界遺留的經(jīng)典難題之一。

“超弦理論是當(dāng)前最有希望統(tǒng)一4種相互作用的理論。”劉玉孝對于超弦理論的研究由來已久。他表示，若用一個比喻形容，超弦理論更像是一個野心勃勃的政治家，它的藍(lán)圖則囊括了自然界中所有的相互作用，是旨在實現(xiàn)完整的統(tǒng)一。在W弦理論研究方面，他列出一份簡略的答卷。“我們主要給出了高自旋W弦理論的旋量場實現(xiàn)，具體來說包括兩點，一個是得出構(gòu)造任意自旋的旋量W（2，s）弦理論的方法，另一個是給出了非臨界W弦理論的旋量場實現(xiàn)。”

黑洞作為連接引力理論和量子力學(xué)的一個理想場所，是深入研究量子引力理論的不可或缺的基礎(chǔ)部分。基于此點，劉玉孝與魏少文教授提出了“黑洞分子”假說，著手探究黑洞的微觀結(jié)構(gòu)。“黑洞在歷經(jīng)相變時的微觀結(jié)構(gòu)，會發(fā)生類似于水分子氣液相變的變化。在不同溫度的狀況下，我們發(fā)現(xiàn)黑洞分子之間存在弱的相互吸引作用。這對于深入研究量子引力理論提供了一定的理論基礎(chǔ)。”該成果論文于2015年，在物理學(xué)頂尖雜志Physical Review Letters（《物理評論快報》）上隨之發(fā)表。

為學(xué)者腳踏實地

1997年，劉玉孝第一次踏進(jìn)蘭州大學(xué)的校門，走進(jìn)讓他魂牽夢繞的物理學(xué)院。雖是初來乍到，但他對蘭州大學(xué)物理學(xué)院段一士先生卻似相識如多年的“老朋友”。這說起來有一人是不得不提的，他就是劉玉孝的高中物理老師羅祥君，也是帶領(lǐng)劉玉孝走進(jìn)物理殿堂的第一人。“高中時很喜歡物理，喜歡研究自然界背后隱藏的規(guī)律。而羅老師對物理規(guī)律清晰、明了的詮釋以及對物理學(xué)崇高的熱情對我影響很深。他了解蘭州大學(xué)，十分推崇段一士先生，這跟我后來報考蘭州大學(xué)有很直接的關(guān)系。”

蘭州大學(xué)歷來崇尚自然科學(xué)，理論研究氛圍也便分外濃郁。據(jù)劉玉孝回憶，得益于良好的環(huán)境條件，當(dāng)時能有幸聆聽老一輩教授的授課和學(xué)術(shù)講座。這些老先生或為上世紀(jì)50年代留蘇歸國，或為北京大學(xué)直接調(diào)派，在研究上造詣頗深。段一士、錢伯初、汪志誠、高崇伊、汪映海等先生均在其列，特別是段一士先生的講座，若去晚了就只剩門邊可以擠了。“我印象特別深刻，最初我并沒有涉及到廣義相對論，對這方面的理解很是膚淺。后來聽完段先生的一堂講解，瞬間豁然開朗，發(fā)現(xiàn)引力理論原來沒有多么神秘，而數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和物理圖像也可以那么清晰和簡潔。”在這里，劉玉孝像久旱逢甘霖的禾苗，盡情汲取著知識的養(yǎng)分。

憑借對物理的赤誠、勤勉，劉玉孝于2001年被保送研究生至本校理論物理專業(yè)，師從趙書城教授。趙書城教授嚴(yán)格的態(tài)度是一貫的，劉玉孝坦言至今還記得自己被掛黑板10分鐘，面對臺下一眾同學(xué)的羞愧。但令他更為印象深刻的是老師事后留下的一句話“基礎(chǔ)不扎實一切都是虛的”。猶如當(dāng)頭棒喝，從此一份踏實也就深深地鑲?cè)雱⒂裥⒌目蒲腥松?dāng)中。之后，在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下，他不負(fù)所望，在國際知名學(xué)術(shù)刊物《高能物理》（Journal of High Energy Physics）和《核物理B》（Nuclear Physics B）等雜志上發(fā)表10篇SCI學(xué)術(shù)論文，影響因子總和達(dá)到21。先后榮獲甘肅省第四屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽三等獎、校優(yōu)秀科研成果獎三等獎、寶鋼優(yōu)秀學(xué)生獎等諸多榮譽。

博士期間，在導(dǎo)師段一士先生的建議下，劉玉孝的理論研究逐漸開散出新的枝杈。“當(dāng)時段先生找到我，鼓勵我不要放棄W弦理論方向的工作，并建議我同時考慮新的方向。他給我寫了一個公式，告訴我這是額外維方面的，可以慢慢開展相關(guān)的研究。這個公式一直影響我到現(xiàn)在，而額外維理論逐漸成為我的主要研究方向。”

為了方便記者進(jìn)一步理解，劉玉孝細(xì)致地做出一番講解。“隨著事物的演化，人們對空間有了逐步的認(rèn)識。通常而言，我們將生存空間看成三維空間，加之時間這一維度，整體被稱為四維時空。但為了解釋更多的規(guī)律，理論物理學(xué)家預(yù)言現(xiàn)實時空可能還存在人類看不到的維度，只是我們身在其中認(rèn)識不到其原理。這種維度也就被稱為‘額外維。”

2006年，劉玉孝在摘得第三屆中國青少年科技創(chuàng)新獎的同時，面臨著博士畢業(yè)，其成果論文也應(yīng)運而生——“W弦的新發(fā)展和引力規(guī)范理論與額外維新物理效應(yīng)”。憑借此論文，他獲得2008年全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文提名論文獎。同年，與獎項并肩而來的還有教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”入選名額以及蘭州大學(xué)教授的聘書。那年劉玉孝31歲，已成為全校最年輕的教授。

為師者繼往開來

“不以物喜，不以己悲”，劉玉孝自始至終瞄準(zhǔn)的是科研這方天地。從2006年留校工作開始，他便馬不停蹄地展開項目研究。基于上述曾提到的規(guī)范層次問題，他利用高維時空引力與膜世界理論研究，建立出一系列高階引力理論中的膜世界模型，并提出新的費米子的局域化機(jī)制。而有關(guān)額外維與膜世界的項目推進(jìn)方面，他也斬獲連連：提出了一個新的膜世界模型，克服了Randall-Sundrum模型的缺陷，并預(yù)言了新的TeV能標(biāo)物理效應(yīng)；發(fā)現(xiàn)了膜世界上各種場的Kaluza-Klein共振態(tài)。

“膜世界最簡單的理解就是運用降維的思想來解釋，我們處在三維的空間，二維世界就被稱為膜世界。同理，在假設(shè)高維時空存在的狀況下，我們生活的三維空間也就變成一個膜世界。”劉玉孝說道。

針對膜世界不能實現(xiàn)場論中的重整化問題，劉玉孝擴(kuò)展引力理論，將擴(kuò)展理論中的膜世界進(jìn)行新的思考。膜世界是否穩(wěn)定？粒子是否存在于膜上？額外維如何檢驗？

“作為一個例子，我們考慮f（R）引力理論，這是廣義相對論的一個典型擴(kuò)展。擴(kuò)展項f（R）的引入，導(dǎo)致需要求解四階微分方程組。而四階微分方程組沒有統(tǒng)一的求解方法，這是眾所周知的。后來，我們通過漸近行為的分析，利用f（R）函數(shù)的自由度，找到方程中導(dǎo)數(shù)階最高的函數(shù)A的具體表達(dá)式，由此出發(fā)，獲得了其他函數(shù)的解析解。值得一提的是，解析解的獲得，為我們分析f（R）引力膜世界是否合理提供了基礎(chǔ)。”

在2015年的“優(yōu)秀青年科學(xué)基金”項目答辯中，劉玉孝展示著他的團(tuán)隊幾年來的心血結(jié)晶。基于一種新方法的提出，他們獲得擴(kuò)展引力理論膜世界的解析解，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定；而局域化機(jī)制的運用，則解決了標(biāo)準(zhǔn)模型中各種粒子在膜上的存在性問題；不僅如此，他們還大膽預(yù)言膜世界上存在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的共振態(tài)粒子，并提供出可能的額外維實驗檢驗途徑。

即便放眼世界，劉玉孝和他的團(tuán)隊創(chuàng)造性的研究價值也是不容忽視的。引力專家H.Lu教授在2012年發(fā)表的JHEP文章中，采用劉玉孝團(tuán)隊的創(chuàng)新研究方法，并明確指出其團(tuán)隊首次給出的f（R）引力膜世界的漲落分析。2014年，膜世界專家 Almeida教授，則在PLB的文章中對他們的工作多處評述。不但將其發(fā)展的關(guān)于局域化的方法看做一個立足點，還通過論述后明確表示該方法是研究費米子的局域化問題的唯一選擇。

如今，作為蘭州大學(xué)的教授、博士生導(dǎo)師，劉玉孝左手科研、右手教學(xué)，忙得不亦樂乎。他表示，將繼續(xù)進(jìn)行高維時空理論與粒子物理方面的工作，探索額外維在加速器和短距離引力實驗中的新物理效應(yīng)。同時，他也會跟進(jìn)國際新領(lǐng)域發(fā)展，順應(yīng)國家需要，積極融入引力波相關(guān)研究工作當(dāng)中；加入我國空間引力波探測計劃，用已有的相關(guān)基礎(chǔ)理論，為引力波的長期研究開展提供切實有用的支撐動力。

教學(xué)方面，劉玉孝秉承著分而治之的原則。本科生階段，他強(qiáng)調(diào)基本素質(zhì)的培養(yǎng)，在學(xué)生系統(tǒng)、全面地學(xué)習(xí)物理學(xué)知識之際，提倡按需分配。“如果是以后打算繼續(xù)深造，深入學(xué)習(xí)理論知識就是首要的，但若打算畢業(yè)后直接到社會服務(wù)，那么在掌握基本知識和方法的同時，還應(yīng)該養(yǎng)成一種處理問題的思維。”對于研究生教育，劉玉孝則繼承了段一士先生的一貫作風(fēng)，即用最快的時間建立一個最小的知識體系。“研究生在基本知識之外，需要更強(qiáng)的自學(xué)能力，要能根據(jù)自己的科研方向確定所需要的最小知識體系，而不是把所有的知識都籠統(tǒng)地學(xué)一遍。要做到學(xué)而求精，盡早規(guī)劃，摸清脈路，靈活應(yīng)用所學(xué)知識，同時兼具創(chuàng)新意識。”

教學(xué)與科研結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容為科研工作提供基礎(chǔ)，科研工作將教學(xué)內(nèi)容的理解加深、加固。貼近前沿，把握發(fā)展，劉玉孝在科研與教學(xué)相互促進(jìn)的過程中跨步前行。