孙昌璞
返朴
2023-12-11 08:01:52
转自公众号：理论物理专款
文章通过实例讨论物理学理论与实验的“非常”关系，理论物理在追求“唯美”的同时如何“求真”；阐述是不是只有被“证实”的理论才能是“有用的”，究竟什么样的实验才算验证理论物理的预言。作者还通过自己过去20年关于介观统计热力学的研究工作的历程，展示如何在开展理论物理引领的基础研究的同时，兼顾真正的应用需求。
撰文 | 孙昌璞
国家自然科学基金理论物理专款（下称“专款”）设立已经30周年了，作为前七届“专款”学术领导小组的成员（1993～2022年）和第七届“专款”学术领导小组的组长，我亲历“专款”在不同的历史时期如何推动我国理论物理学科的建设和发展，也见证了彭桓武等老一辈理论物理学家为促进我国理论物理事业的进步，严谨认真，殚精竭虑、心系全局、以长远的眼光务实当下、布局未来。
在“专款”工作中，笔者有幸聆听了老一辈的教诲，在耳濡目染中不断学习他们的思想方法和工作作风。很早有机会参与“专款”对我国理论物理的组织领导工作，使我得以从不同的视角全面地了解理论物理的发展。同时，自己也积极在科学研究前沿进行着不懈的探索，通过研究工作的积累，对当代理论物理趋势和我国理论物理发展前景形成了一些个人的浅见。
文章将围绕着理论物理“唯美”与“求真”的核心价值观，强调理论物理具有基础性和综合交叉性的根本特征。从科学方法论（哲学）的角度，通过实例讨论了理论与实验的“非常”关系，明晰了“实验证实理论”的科学哲学内涵，并阐述为什么基本物理的理论工作在一段时间内可以与即时的实验验证保持距离。本次强调要做“有用”的理论物理——应用理论物理，并指出需求驱动的科学研究与自由探索一样，也会导致实现基础物理的重要突破。
最后，通过我们过去20年关于介观统计热力学的研究工作的历程，展示如何在开展理论物理引领的基础研究的同时，兼顾真正的应用需求。
本次的部分观点引述了笔者为《物理学报》“观点和展望”撰写的文章《当代理论物理发展趋势之我见——杨振宁学术思想启发的若干思考》。
理论物理为什么比物理理论更重要？
理论物理作为物理学的基础分支学科常常被人们质疑：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这样的学科？理论物理典型的学科特征是什么？历史上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。在不同的历史时期，这种争论有时还不仅仅停留在学术层面上。在“理论脱离实际”大帽子下，那时有的科研院所曾多次解散理论物理研究室。
即使在当下，抽象的理论物理工作也会被质疑：为什么还没有被实验所“证实”？或理论物理的研究成果有用吗？本文不奢望能够完美回答这些质问，而是要尽最大努力阐释问题更底层的逻辑：“实验证实理论”的内涵究竟是什么？是不是只有被“证实”的理论才能是“有用的”？
众所周知，物理学通常是基于“还原论”（reductionism）和“演生论”（emergentism）两种科学范式来描述物质世界运动和构型的。
前者把物质性质归结为最基础组元间的基本相互作用——电、弱、强相互作用和引力；而后者主要研究多粒子组成的复杂系统，把较高的结构层次“演生”出来的有序和合作效应的规律当成基本定律加以探索。
两种理论范式采取的共性科学手段是利用实验进行主动的观测，理论物理通过建立理论模型、经过哲学性思考，提出初步的科学理论假设，然后借助新的实验进行判定性的检验，最后用严格的数学语言精确、定量地表达其中一般的科学规律——物理定律，由此再进一步预言新的物理效应，并把其中的普适的规律应用到新的领域。
理论物理学的这种研究方法，决定了其作为一门独立学科存在的必要性，也预示着它在物质科学研究中具有不可或缺的核心地位。
在中文语境中，王竹溪和郝柏林曾经明确定义了什么是理论物理：“理论物理是物理学的一个分支。理论物理学把物理学各个分支领域对物质运动规律的研究成果作出高度概括，表述为基本的定量的关系，建立起统一的深刻的理论体系，说明和预见新的物理现象。
许多实验和理论的集体，既分工又配合，在理性认识和感性认识的多次循环往复中，使物理研究工作步步深入，揭示和应用自然界的客观规律……”他们还进一步强调，“一方面，物理学的各个分支都有相应的理论，另一方面贯穿于各个方面的理论又形成体系，构成理论物理学科。理论物理又起到沟通各个分支学科的桥梁作用”。
由此看来，理论物理学是一门跨越物理学各个分支领域乃至其他物质科学领域的综合交叉学科，它的基本性和普适性意味着它比零零散散、针对具体的物理理论更为重要！
围绕着“还原论”和“演生论”的世界观，物理学形成了各自不同的学科分支。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。物理学的理论基础是“四大力学”，但它们又各自发展出新的理论，如激光理论、固体理论等。
两大方面的诸多学科的共性问题和普适规律可以通过理论物理有机地联系起来。因此理论物理在内涵上具有本质交叉的明显特征，通过数学和模型把物理学的各个分支的理论相干地融合成一个理论总体。凝聚态物理学形成当代物理学最大的分支，它把量子力学和统计物理成功地运用于固体和液体等凝聚态系统中，奠定了材料、信息、生物科学和能源技术的科学基础。
反过来，基于凝聚态发展起来的相互作用多体理论对整个物理也有基础性的贡献：从凝聚态物理的研究中凝练出来的普适思考和方法，对包括高能物理在内的其他物理学科的发展也起到根本性的作用。