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          【中國科學報】吳岳良:在科學史上留下屬于中國學者的理論
          2020-09-01  【 】【打印】【關閉

            太空浩渺深邃,驅動其誕生、演化、膨脹的隱秘“暗”物質與能量長什么樣?萬物繁復多變,是否有一種統一而“簡潔”的理論和模型解釋所有現象?宇宙留下“時空漣漪”,如何捕捉這美妙卻微弱的信息?

            宇宙圖景幽深、神秘,卻讓人如癡如醉。這便是中國科學院院士、中國科學院理論物理研究所研究員吳岳良面前的物理世界。

            “宇宙充滿未解之謎,吸引著我不斷思考,挑戰自我、探索未知。”近40年來,吳岳良“仰觀宇宙之廣大,俯探學問之前沿”,努力做出世界一流的物理學研究。

            大工程,探索“隱秘的美好” 

            近百年來,人類對宇宙的認識取得了巨大的進步。然而,仍有無數的謎團尚未揭開。

            其中,暗物質、暗能量被認為是21世紀現代物理學和天文學天空中的“兩朵烏云”。“它們是本世紀物理學中最大的科學問題,揭開這兩大謎團,將帶來一場新的物理學革命。”吳岳良告訴《中國科學報》。

            物質粒子是宇宙的基本構成之一。通俗來說,暗物質就是既不發射光,也不吸收和反射光的物質;暗能量即驅動宇宙運動的一種“神秘”能量,兩者都不可被基于電磁波的現有技術直接觀測或檢測到。但事實上,逐漸累積的大量天文觀測數據通過引力效應表明了大量暗物質暗能量的存在,且成為了宇宙的主要組分,約占百分之九十五以上。

            尋找暗物質、研究暗能量的本質,將對物質、時空和宇宙的起源等基本問題有更深的認識,這也成為國際物理學和天文學界研究的熱點。

            10年前,吳岳良作為“暗物質、暗能量的理論研究及實驗預研”首席科學家,凝聚國內相關優勢力量向“兩朵烏云”發起挑戰。經過10年的艱苦探索,研究團隊取得了一系列具有國際影響力的成果。比如:在我國暗物質實驗探測方面,從無到有形成了地下到空間的直接和間接暗物質探測兩個大平臺,突破了一系列關鍵探測技術;在理論研究方面,提出了解釋暗物質的模型和機制,極大推動了實驗的開展。在這個過程中,我國暗物質的研究力量逐漸建立并愈發強大。

            “通過項目研究,促進了我國暗物質理論與實驗研究的結合。暗物質暗能量是在探索未知,在某種意義上,我們與國外同時起步,如今也處在同樣有競爭力的水平上。”吳岳良對10年來的進步感到欣慰而滿意。

            在科學家苦苦追尋暗物質暗能量的蹤跡與奧秘之時,“引力波”被捕捉到了,這給了科學家們極大的鼓舞。

            2016年,美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)宣布探測到了雙黑洞合并事件的引力波,同年,中科院也對外披露了我國引力波空間探測計劃——“太極計劃”。該計劃可追溯到2008年——在中科院的支持下,胡文瑞院士組織我國科學家對其論證,且在2012年由吳岳良代表中國空間引力波探測工作組在歐空局eLISA首次聯盟會議上報告該計劃。

            按計劃,我國將在2033年前發射引力波探測衛星組,進行中低頻波段引力波的直接探測。吳岳良再次挑起重擔,擔任“太極計劃”的首席科學家。 

            吳岳良表示,“當前我們觀察到的宇宙現象依賴于電磁相互作用,引力波是另外一種探測手段,而空間引力波探測則可以看到更廣、更深的宇宙信息和天體現象,包括暗物質暗能量、宇宙早期形成與演化等。”

            2019年12月25日,我國首顆空間引力波探測技術實驗衛星“太極一號”在歷經4個月嚴格測試和實驗后,各項功能、性能指標滿足研制總要求,在軌測試實驗取得成功。

            “這是科學院有史以來,在空間探測技術難度如此大的情況下,依然在1年之內建成并完成目標的科學衛星。我作為參與者和推動者,感到欣喜和滿意。”吳岳良說,目前,太極一號在軌驗證的各項技術指標超過任務預期目標,他們正積極籌備太極二號的雙星實驗。

            但吳岳良深知,空間引力波探測技術是當前人類所掌握的精密測量和控制技術的“極限”,未來挑戰巨大。

            至今,在吳岳良的辦公室,粘貼著一張寫滿密密麻麻行程的“太極一號”計劃的時間表,旁邊是一張有著他的簽名的“軍令狀”。“我們希望以國際合作競爭的方式,共同突破關鍵技術,趕上國際水平。”吳岳良爽朗的笑聲中充滿了對未來的堅定和信心。

            純理論:追尋“大一統”的簡潔美 

            “理論物理只有世界第一,沒有第二。”在吳岳良心中,導師周光召先生的這句話是自己科學研究路上的指路明燈。他努力創造一套屬于中國學者提出的、被國際所認可的物理學新理論新概念。

            歷經20多年的堅持,吳岳良于2018年在揭秘愛因斯坦統一場論的研究中取得突破——創建了超統一場論。

            吳岳良說,自1915年愛因斯坦創立廣義相對論以來,構建一套能夠統一描述自然界已知基本相互作用的理論,是所有理論物理學家所追求的夢想。愛因斯坦花費了其后半生幾乎所有的時間探尋統一場論。

            追尋大一統的簡潔之美,也是吳岳良的夢想。

            1996年,吳岳良回國后與周光召開始共同研究大一統理論。次年,他們在《中國科學》雜志上發表了題為《對所有基本力的一種可能的大統一模型》的研究論文,這是他們最初的想法。

            20多年來,除卻必要的行政事務,吳岳良無時無刻不在思考著這些問題,“做理論物理研究有個好處,就是隨時隨地可以開始工作,早上醒來、走在路上都可以思考。”吳岳良說。

            吳岳良提出了超統一場論,引起國際同行廣泛關注。其涉及對時空觀念、幾何觀念和宇宙觀念以及物質觀念和能量觀念的重新認識,將為探索終極統一理論打開一扇新窗口。

            他解釋說,愛因斯坦廣義相對論認為“引力是彎曲時空的表現”,而他要拋開彎曲時空的概念,直接在平坦時空中引入引力場作為量子場,并在這個場中將“引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力”這4種基本相互作用進行統一的描述。

            挑戰與眾不同的理論,并不是一件容易的事。在吳岳良看來,興趣、熱愛、堅持與不斷思考,是支撐他研究不斷取得突破的重要因素。

            “盡管在上個世紀有國外科學家提出相關的統一理論,但我們至少有屬于自己提出的既在理論上自洽又與現有實驗一致且有新的理論預言的理論,但理論最終都需要經過實驗來檢驗。”吳岳良說。

            作為理論物理學家,吳岳良對理論物理有著深刻地理解。他堅信,物理一定是簡單的,規律一定是簡潔的。“把所有物理現象通過嚴密的數學邏輯推理,總結抽象成一個最具有普遍意義和規律的理論,例如眾所周知的量子理論、相對論、牛頓理論等,從而可應用至各個方面。這也是中科院專門成立理論物理所的初衷和使命。”

            謝恩師:承襲先賢做一流學問 

            對吳岳良來說,父親指引他走上了理論物理之路。“父親告訴我,要做最前沿的工作,要找最好的導師。我覺得理論物理的魅力在于探索未知,具有前沿性和很大挑戰性。”這是吳岳良選擇理論物理的初衷。

            而在之后近40年的科研人生中,中國科學院院士、“兩彈一星”元勛周光召是他的“領路人”。

            1982年,吳岳良考入周光召門下作碩士生和博士生。他說,導師的言傳身教,在自己人生觀、價值觀和世界觀的形成上,都打下了深刻的烙印。

            “周先生的一生與國家的需要緊密結合,他希望為國奉獻的傳統在年輕人中傳承。”吳岳良回憶說,“這也是從彭先生那里傳承下來的,彭先生當時回國的時候就說‘回國不需要理由,不回國才需要理由’”。

            1986年,吳岳良即將博士畢業并計劃到國外開展博士后研究,周光召問他,“你將來‘翅膀硬了’,可能會面臨很多選擇,但一旦國家需要你做出某種選擇時,你是否能服從國家需要、回來服務國家?”

            吳岳良給出了肯定的答案。在美國、德國從事科研的近10年里,他與周光召始終保持著聯系。只要周光召出訪到吳岳良所從事科學研究的國家,他們定會約上見面,他向吳岳良介紹國內科技的發展,而吳岳良也會向導師匯報近況和研究進展。

            1996年,在周光召的召喚下,吳岳良回國從事科學研究,也就是從那時起,他與導師合作開啟了超統一理論的研究工作。

            在科研工作中,周光召敢于挑戰權威的特點對吳岳良產生了深遠影響,幫助他度過“至暗時刻”。

            “理論物理研究是一個否定之否定的過程,需要不斷否定自己,最終找到一個比較肯定的答案,但否定自己容易,否定別人,尤其是權威是十分困難的。”吳岳良說。

            1993年前后,吳岳良正在進行“正反粒子變換和左右宇稱反演聯合對稱性(CP)破壞和第六個基本粒子頂夸克性質”的研究,他對頂夸克質量的理論估算與歐洲核子中心早期一個有誤的實驗結果不一致。此外,他還提出了一個簡單理論模型(包含粒子物理標準模型CP破壞機制在內的四類CP破壞源)。然而,由于這類模型被研究了二十多年,很多人認為不可能還有這么重要的理論結論沒有被發現,由此,他的研究論文也“自然”被美國的頂尖期刊拒稿數次。

            那時,吳岳良在作博士后,別人一年都發表幾篇甚至十幾篇論文,而他在那一年只寫一篇文章就為了認識這個問題。“壓力的確很大。”他坦承。

            吳岳良想到導師在面對權威質疑時不迷信、獨立思考的經歷和教導,下定決心用了半年多的時間調研了過去所有的相關研究,并撰寫了近80頁的長文來證明模型的自洽性,最后的研究結果連續發表在美國《物理評論快報》上,該模型后來被國際同行專家稱為模型Ⅲ2HDM。

            此外,周光召善于從事物的第一性考慮復雜問題的思考方式、對科研的執著等也使得吳岳良獲益良多。導師的精神與理念,吳岳良將其傳承至他的后輩學生之中。

            育人才:做真正原創的研究 

            對于理論物理所研究員周宇峰來說,導師吳岳良教會他最多的便是獨立思考能力。1999年他考入理論物理所,成為吳岳良的博士研究生。

            “在做博士期間,吳老師就特別強調獨立思考能力,在對某個問題進行大量的調研后,形成自己的想法和判斷,只有這樣才能做出有高度的原創性工作。”周宇峰告訴《中國科學報》,吳老師不輕易盲從他人、甘做“冷板凳”的精神讓自己受益匪淺。

            如今,周宇峰也不斷挑戰難題、新題,與導師亦師亦友,協同合作。他已成為暗物質理論、超出標準模型的新物理等方向的專家,提出了數個具有原創性的相互作用機制、計算方法和暗物質理論模型。

            而劉金巖走了一條與師兄師姐不同的發展之路。2010年,她成為吳岳良門下粒子物理專業的博士研究生,現為中國科學院自然科學史研究所副研究員。

            知史以明鑒,查古以至今。她告訴《中國科學報》,周光召先生曾提出,中國理論物理學應有自己史學研究,不能斷代,導師吳岳良將此愿望記在了心里。

            在劉金巖即將博士畢業時,導師問她是否對物理學史感興趣,因得知自然科學史所非常希望有理論物理背景,特別是量子力學和量子場論方面基礎的青年人才加入,而喜歡歷史的她回答“非常愿意”。在吳岳良的建議下,劉金巖進入中國科學院自然科學史所,投身至中國物理學史的研究。

            “受過粒子物理學專業訓練,也使我在歷史研究中更加得心應手。”劉金巖說。

            當前,國際物理學研究競爭日趨激烈。“我們到了不應再跟蹤,而是做真正原始創新工作的時候了。”吳岳良說。

            但他同時也深感,當前由于涉及高能量和高強度及高精度的大型前沿實驗進展放慢,理論物理發展也相對變得緩慢,但從另一方面來看這給我國理論物理學家提供了一個深入思考和研究并做出原創性科研成果的機遇。而國內的科研環境并不太利于基礎研究,尤其像理論物理這樣的純基礎研究,需要改革科研評價體制、營造開放交流的氛圍,以及長期穩定的支持,讓基礎研究的科研人員有興趣、熱愛,驅動其做原創研究。

            “不得不承認,科學史上留下來的經典理論大多由國外科學家發現創立的。我們要成為科技強國,必須要培養年輕人才,做出能在科學史上留得下來的中國科學家創立的理論,為世界科學發展貢獻一份力量。”吳岳良堅定地說。                                                                作者:韓揚眉 來源:中國科學報

          吳岳良院士

           彭桓武(左)、周光召(中)、吳岳良(右)師生三代 (中科院理論物理所供圖)

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