?孫昌璞院士

物理學(xué)是研究物質(zhì)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)科學(xué)。其研究?jī)?nèi)容可以概括為以下兩個(gè)方面：第一、在更高的能量標(biāo)度和更小的時(shí)空尺度上，探索物質(zhì)世界的深層次結(jié)構(gòu)及其相互作用規(guī)律；第二、面對(duì)由大量個(gè)體組元構(gòu)成的復(fù)雜體系，探索超越個(gè)體特性的、“演生”出來(lái)的有序和合作現(xiàn)象。這兩方面代表了兩種基本的科學(xué)觀——還原論（reductionism）和演生論（emergence）。前者把物質(zhì)性質(zhì)歸結(jié)為其微觀組元間的相互作用，旨在建立從微觀出發(fā)的終極統(tǒng)一理論，是一代又一代物理學(xué)家的科學(xué)夢(mèng)想；后者強(qiáng)調(diào)多體系統(tǒng)的整體有序和合作效應(yīng)，把不同層次“演生”出來(lái)的規(guī)律當(dāng)成自然界的基本規(guī)律加以探索。它涉及從固體系統(tǒng)到生命軟凝聚態(tài)等各種多體系統(tǒng)，直接聯(lián)系關(guān)乎日常生活的實(shí)際應(yīng)用。

現(xiàn)代物理學(xué)通常從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度探索以上的重大科學(xué)問題。利用科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)自然界的主動(dòng)觀測(cè)，輔以理論模型或哲學(xué)上思考，先提出初步的科學(xué)理論假設(shè)，然后借助進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行判定性檢驗(yàn)。最后，據(jù)此用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)語(yǔ)言精確、定量表達(dá)一般的科學(xué)規(guī)律，并由此預(yù)言更多新的、可以被實(shí)驗(yàn)再檢驗(yàn)的物理效應(yīng)。當(dāng)現(xiàn)有的理論無(wú)法解釋一批新的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)就要面臨前所未有的挑戰(zhàn)，有可能產(chǎn)生重大突破、誕生的新理論。新的理論在解釋已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的同時(shí)，還將給出更一般的理論預(yù)言，引發(fā)新的實(shí)驗(yàn)研究。物理學(xué)研究這些內(nèi)稟特征，決定了理論物理學(xué)作為一門獨(dú)立學(xué)科存在的必要性以及在當(dāng)代自然科學(xué)中的核心地位。

理論物理學(xué)立足于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀察，借助數(shù)學(xué)工具、邏輯推理和觀念思辨，研究物質(zhì)的時(shí)空存在形式及其相互作用規(guī)律，從中概括和歸納出具有普遍意義的基本理論。由此不僅可以描述和解釋自然界已知的各種物理現(xiàn)象，而且還能夠預(yù)言此前未知的物理效應(yīng)。需要指出，理論物理學(xué)通過(guò)當(dāng)代數(shù)學(xué)語(yǔ)言和思想框架，使得物理定律得到更為準(zhǔn)確的描述。沿循這個(gè)規(guī)律，作為理論物理學(xué)最基礎(chǔ)的部分，20世紀(jì)初誕生的相對(duì)論和量子力學(xué)今天業(yè)已成為當(dāng)代自然科學(xué)的兩大支柱，奠定了理論物理學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)中的核心地位。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)基于概率統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)性的思想處理多粒子體系的運(yùn)動(dòng)，是二者的必要補(bǔ)充。量子規(guī)范場(chǎng)論從對(duì)稱性的角度描述微觀粒子的基本相互作用，為自然界四種基本相互作用的統(tǒng)一提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)于理論物理的重要作用和學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)，我們分六點(diǎn)簡(jiǎn)述如下。

1、理論物理研究縱深且廣泛，其理論立足于全部實(shí)驗(yàn)的總和之上。由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)是分層次的，每個(gè)層次上都有自己的基本規(guī)律，不同層次上的規(guī)律又是互相聯(lián)系的。物質(zhì)層次結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)性、多樣性和復(fù)雜性不僅為理論物理學(xué)提供了豐富的研究對(duì)象，而且對(duì)理論物理學(xué)家提出巨大的智力挑戰(zhàn)，激發(fā)出人類探索自然的強(qiáng)大動(dòng)力。因此，理論物理這種高度概括的綜合性研究，具有顯著的多學(xué)科交叉與知識(shí)原創(chuàng)的特點(diǎn)。在理論物理中，有的學(xué)科（諸如粒子物理、凝聚態(tài)物理等），與實(shí)驗(yàn)研究關(guān)系十分密切，但還有一些更加基礎(chǔ)的領(lǐng)域（如統(tǒng)計(jì)物理、引力理論和量子基礎(chǔ)理論），它們一時(shí)并不直接涉及實(shí)驗(yàn)。雖然物理學(xué)本身是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，但物理理論是立足于長(zhǎng)時(shí)間全部實(shí)驗(yàn)總和之上，而不是只針對(duì)個(gè)別實(shí)驗(yàn)。雖然理論正確與否必須落實(shí)到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)上，但在物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中間，有的階段性理論研究和純理論探索性研究，開始不必過(guò)分強(qiáng)調(diào)具體的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。其實(shí)，導(dǎo)致重大科學(xué)突破甚至科學(xué)革命的廣義相對(duì)論、規(guī)范場(chǎng)論和玻色-愛因斯坦凝聚就是這方面的典型例證，它們從純理論出發(fā)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證卻等待幾十年、甚至近百年。近百年前愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言了一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)——引力波。直到2016年2月，美國(guó)科學(xué)家才宣布人類首次直接探測(cè)到引力波。引力波的預(yù)言是理論物理發(fā)展的里程碑，它的觀察發(fā)現(xiàn)將開創(chuàng)一個(gè)嶄新的引力波天文學(xué)研究領(lǐng)域，更深刻地揭示宇宙奧秘。

2、面對(duì)當(dāng)代實(shí)驗(yàn)科學(xué)日趨復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)和巨大經(jīng)費(fèi)需求，理論物理對(duì)物理學(xué)的引領(lǐng)作用必不可少。第二次世界大戰(zhàn)后，基于大型加速器的粒子物理學(xué)開創(chuàng)了大科學(xué)工程的新時(shí)代，也使得物理學(xué)發(fā)展面臨經(jīng)費(fèi)需求的巨大挑戰(zhàn)。因此，伴隨著實(shí)驗(yàn)和理論對(duì)物理學(xué)發(fā)展發(fā)揮的作用有了明顯的差異變化，理論物理高屋建瓴的指導(dǎo)作用日趨重要。在高能物理領(lǐng)域，輕子和夸克只能有三代是純理論的結(jié)果，頂夸克和最近在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）發(fā)現(xiàn)的Higgs粒子首先來(lái)自理論預(yù)言。當(dāng)今高能物理實(shí)驗(yàn)基本上都是在理論指導(dǎo)下設(shè)計(jì)進(jìn)行的，沒有理論上的動(dòng)機(jī)和指導(dǎo)，高能物理實(shí)驗(yàn)如同大海撈針、無(wú)從下手?？梢哉f(shuō)，每一個(gè)大型粒子對(duì)撞機(jī)和其它大型實(shí)驗(yàn)裝置，都與一個(gè)具體理論密切相關(guān)。天體宇宙學(xué)的觀測(cè)更是如此。天文觀測(cè)只會(huì)給出一些初步的宇宙信息，但其物理解釋必依賴于具體的理論模型。宇宙的演化只有一次，其初態(tài)和末態(tài)迄今都是未知的。宇宙學(xué)的研究不能像通常的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)菢?，不可能為獲得其演化的信息任意調(diào)整其初末態(tài)。因此，僅僅基于觀測(cè)，不可能構(gòu)造完全合理的宇宙模型。要對(duì)宇宙的演化有真正的了解、建立自洽的宇宙學(xué)模型和理論，就必須立足于粒子物理和廣義相對(duì)論等物理理論。

3、理論物理學(xué)本質(zhì)上是一門交叉綜合科學(xué)。大家知道，量子力學(xué)20世紀(jì)的奠基性科學(xué)理論之一，是人們理解微觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的現(xiàn)代物理基礎(chǔ)。它的建立，導(dǎo)致了以激光、半導(dǎo)體和核能為代表的新技術(shù)革命，深刻地影響了人類的物質(zhì)、精神生活，已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動(dòng)力之一。然而，量子力學(xué)基礎(chǔ)卻存在諸多的爭(zhēng)議，哥本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)”詮釋遭遇諸多挑戰(zhàn)。不過(guò)這些學(xué)術(shù)爭(zhēng)論不僅促進(jìn)了量子理論自身發(fā)展，而且促使量子力學(xué)走向交叉科學(xué)領(lǐng)域，使得量子物理從觀測(cè)解釋階段進(jìn)入自主調(diào)控的新時(shí)代，從此量子世界從自在之物變成為我之物。近二十年來(lái)，理論物理學(xué)在綜合交叉方面的重要進(jìn)展是量子物理與信息計(jì)算科學(xué)的交叉，由此形成了以量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量為主體的量子信息科學(xué)：它充分利用量子力學(xué)基本原理，基于獨(dú)特的量子相干進(jìn)行計(jì)算、編碼、信息傳輸和精密測(cè)量，探索突破芯片極限、保證信息安全的新概念和新思路。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)為理論物理研究開拓了跨度更大的交叉綜合領(lǐng)域，如生物物理和軟凝聚態(tài)物理。統(tǒng)計(jì)物理的思想和方法不斷地被應(yīng)用到各種新的領(lǐng)域，對(duì)其基本理論和自身發(fā)展提出了更高的要求。由于軟物質(zhì)是在自然界中存在的最廣泛的復(fù)雜凝聚態(tài)物質(zhì)，它處于固體和理想流體之間，與人們的日常生活及工業(yè)技術(shù)密切相關(guān)。例如，水是一種軟凝聚態(tài)物質(zhì)，其研究涉及的基礎(chǔ)科學(xué)問題關(guān)乎人類社會(huì)今天面對(duì)的水源危機(jī)。

4、理論物理學(xué)在對(duì)具體系統(tǒng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展，并在基本的層次上回饋?zhàn)陨怼牧孔恿W(xué)和統(tǒng)計(jì)物理對(duì)固體系統(tǒng)的具體應(yīng)用開始，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)凝聚態(tài)物理學(xué)業(yè)已發(fā)展成當(dāng)代物理學(xué)最大的一個(gè)分支。它不僅是材料、信息和能源科學(xué)的基礎(chǔ)，也與化學(xué)和生物等學(xué)科交叉與融合，而其中發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象、新效應(yīng)，都有可能導(dǎo)致凝聚態(tài)物理一個(gè)新的學(xué)科方向或領(lǐng)域的誕生，為理論物理研究展現(xiàn)了更加廣闊的前景。一方面，凝聚態(tài)物理自身理論發(fā)展異常迅猛和廣泛，描述半導(dǎo)體和金屬的能帶論和費(fèi)米液體理論為電子學(xué)、計(jì)算機(jī)和信息等學(xué)科發(fā)展的奠定了理論基礎(chǔ)；另一方面，從凝聚態(tài)理論研究提煉出來(lái)的普適的概念和方法，對(duì)包括高能物理其它物理學(xué)科的發(fā)展也起到了重要的推動(dòng)作用。BCS超導(dǎo)理論中的自發(fā)對(duì)稱破缺概念，被應(yīng)用到描述電弱相互作用統(tǒng)一的Yang-Mills 規(guī)范場(chǎng)論，導(dǎo)致了中間玻色子質(zhì)量演生的Higgs機(jī)制，這是理論物理學(xué)發(fā)展的又一個(gè)重要里程碑。近二十年來(lái)，在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，有大量新型低維材料的合成和發(fā)現(xiàn)，有特殊功能的量子器件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，有高溫超導(dǎo)和拓?fù)浣^緣體等大量新奇量子現(xiàn)象的展示。這些現(xiàn)象不能在以單體近似為前提的費(fèi)米液體理論框架下得到解釋，新的理論框架建立已迫在眉睫，如果成功將使凝聚態(tài)物理的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究跨上一個(gè)新的歷史臺(tái)階，也會(huì)為理論物理的引領(lǐng)作用發(fā)揮到極致。

5、理論物理的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是理論模型與強(qiáng)大的現(xiàn)代計(jì)算手段相結(jié)合。面對(duì)紛繁復(fù)雜的物質(zhì)世界（如強(qiáng)關(guān)聯(lián)物質(zhì)和復(fù)雜系統(tǒng)），簡(jiǎn)單可解析求解的理論物理模型不足以涵蓋復(fù)雜物質(zhì)結(jié)構(gòu)的全部特征，如非微擾和高度非線性?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)明和快速發(fā)展提供了解決這些復(fù)雜問題的強(qiáng)大工具。輔以面向?qū)ο蟮目茖W(xué)計(jì)算方法（如第一原理計(jì)算、蒙特卡羅方法和精確對(duì)角化技術(shù)），復(fù)雜理論模型的近似求解將達(dá)到極高的精度，可以逐漸逼近真實(shí)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，在解析手段無(wú)法勝任解決復(fù)雜問題任務(wù)時(shí)，理論物理必須通過(guò)數(shù)值分析和模擬的辦法，使得理論預(yù)言進(jìn)一步定量化和精密化。這方面的研究導(dǎo)致了計(jì)算物理這一重要學(xué)科分支的形成，成為連接物理實(shí)驗(yàn)和理論模型必不可少的紐帶。

6、理論物理學(xué)將在國(guó)防安全等國(guó)家重大需求上發(fā)揮更多作用。大家知道，無(wú)論決勝第二次世界大戰(zhàn)、冷戰(zhàn)時(shí)代的戰(zhàn)略平衡，還是中國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略地位提升，理論物理學(xué)在滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求方面發(fā)揮了不可替代的作用。理論物理學(xué)家愛因斯坦、奧本海默、費(fèi)米、彭桓武、于敏、周光召等人也因此彪炳史冊(cè)。與戰(zhàn)略武器發(fā)展息息相關(guān)，二戰(zhàn)后開啟了物理學(xué)大科學(xué)工程的新時(shí)代，基于大型加速器的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)反過(guò)來(lái)為理論物理學(xué)提供廣闊的用武之地，如標(biāo)準(zhǔn)模型的建立。國(guó)防安全方面等國(guó)家重大需求往往會(huì)提出自由探索不易提出的基礎(chǔ)科學(xué)問題，在對(duì)理論物理提出新挑戰(zhàn)的同時(shí)，也為理論物理研究提供了源頭創(chuàng)新的平臺(tái)。因此，理論物理也要針對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防安全方面等國(guó)家重大需求，凝練和發(fā)掘自己能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用的科學(xué)問題，在實(shí)踐應(yīng)用和理論原始創(chuàng)新方面取得重大突破。

為了全方位支持我國(guó)理論物理事業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展，1993年國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)設(shè)立“理論物理?？睢保⒊闪W(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)小組（首屆組長(zhǎng)是我國(guó)著名理論物理學(xué)家彭桓武先生）。多年來(lái)，它凝聚了我國(guó)理論物理學(xué)家集體智慧，不斷探索符合理論物理特點(diǎn)和發(fā)展規(guī)律的資助模式，培養(yǎng)理論物理優(yōu)秀創(chuàng)新人才做出杰出的研究成果，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科技戰(zhàn)略決策進(jìn)行了指導(dǎo)和咨詢。為了更全面地支持我國(guó)的理論物理事業(yè)，“理論物理?？睢背掷m(xù)支持我們編輯出版這套《21世紀(jì)理論物理及其交叉學(xué)科前沿叢書》, 目的是要系統(tǒng)全面介紹現(xiàn)代理論物理及其交叉領(lǐng)域的基本內(nèi)容及其學(xué)科前沿發(fā)展，以及中國(guó)理論物理學(xué)家科學(xué)貢獻(xiàn)和所取得的主要進(jìn)展。希望這套叢書能幫助大學(xué)生、研究生、博士后、青年教師和研究人員全面了解理論物理學(xué)研究進(jìn)展，培養(yǎng)對(duì)物理學(xué)研究的興趣，迅速進(jìn)入理論物理前沿研究領(lǐng)域，同時(shí)吸引更多的年輕人獻(xiàn)身理論物理學(xué)事業(yè)，為我國(guó)的科學(xué)研究在國(guó)際上占有一席之地作出自己的貢獻(xiàn)。

孫昌璞

中國(guó)科學(xué)院院士，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)“理論物理專款”學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)小組組長(zhǎng)

內(nèi)容簡(jiǎn)介

《21世紀(jì)理論物理及其交叉學(xué)科前沿叢書》包括中英文的專著和基礎(chǔ)理論，以相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的研究生為起點(diǎn)。主要內(nèi)容有（包括但不限于）：

（1）最深層次物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律的前沿：量子場(chǎng)論及與宇宙學(xué)；粒子物理及與宇宙學(xué)；高能重離子碰撞和強(qiáng)子物理中動(dòng)力學(xué)規(guī)律。

（2）凝聚態(tài)理論：強(qiáng)關(guān)聯(lián)多電子系統(tǒng)的理論研究；受限小量子系統(tǒng)。

（3）跨學(xué)科理論研究新領(lǐng)域：理論物理與生命科學(xué)；有機(jī)固體和聚合物的理論物理研究；納米材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論；量子信息。

本文摘編自《21世紀(jì)理論物理及其交叉學(xué)科前沿叢書》出版前言，標(biāo)題為編者所加。