“我们需要新时代的伽利略和新的望远镜”——专访北京大学理论物理研究所教授、博士生导师李定平

伽利略的一生和望远镜的发明,恰恰告诉了我们,基础研究和应用是相辅相成的关系,应用的突破也会带动基础研究的突破。期待我们有更多的能够独立思考、坚持研究的伽利略出现;也希望有更多善于发现伽利略的伯乐,创造条件保证他的研究;更希望科学技术的应用能够给我们一代又一代人造出继续科学征程的新“望远镜”。

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“我们需要新时代的伽利略和新的望远镜”——专访北京大学理论物理研究所教授、博士生导师李定平

本文刊发于《环球财经》2022年12月刊

 

记者 | 林鹰
编辑 | 张鑫

导语

 

伽利略的一生和望远镜的发明,恰恰告诉了我们,基础研究和应用是相辅相成的关系,应用的突破也会带动基础研究的突破。期待我们有更多的能够独立思考、坚持研究的伽利略出现;也希望有更多善于发现伽利略的伯乐,创造条件保证他的研究;更希望科学技术的应用能够给我们一代又一代人造出继续科学征程的新“望远镜”。

 

作为西方思想史上第一个有记载有名字留下来的思想家,被称为西方“科学和哲学始祖”的古希腊七贤之一的泰勒斯给后人留下的,不仅有那句被写在希腊神庙之上的亘古名言“认识你自己”;还有因为观察星象而跌进坑里的轶事,以至于“哲学家是只知道天上的事情而不知道脚下发生什么事情的人”的笑话流传至今;更有他一生持守“君子固穷”、醉心于追问世界本源问题而对西方科学观所产生的深远影响。古希腊数学家欧几里德的一则相近的轶事亦流传至今:一位追随他学习几何的年轻人问:“学习这些东西,我能得到什么?” 欧几里德对随从说:“给他三便士,因为他必须从他所学的东西中获利。”
 
1883年,美国著名物理学家罗兰(Henry Augustus Rowland)在其著名演讲《为纯科学呼吁》中,就把其时中国与西方相比在科技方面的落后归咎于对应用的偏重:“假如我们停止科学的进步而只留意科学的应用,我们很快就会退化成中国人那样,多少代人以来他们都没有什么进步,因为他们只满足于科学的应用,却从来没有追问过他们所做事情中的原理。这些原理就构成了纯科学。中国人知道火药的应用已经若干世纪,如果他们用正确的方法探索其特殊应用的原理,他们就会在获得众多应用的同时发展出化学,甚至物理学。”
 
对于罗兰的批评,北京大学理论物理研究所副所长李定平教授并不能完全认同。一年前,他和长期合作近30年的我国台湾交通大学电子物理系儒森斯坦(Baruch Rosenstein)教授合著的《金兹堡-朗道凝聚态理论:热力学、动力学和拓扑物质的形成》一书在剑桥出版社出版,这是这家成立于1534年、世界上最大的教育和学术出版社之一的机构在600多年的历史中,屈指可数的有来自中国大陆的学者参与的一本学术专著。意大利国家研究委员会超导和创新材料研究所研究主任瓦拉莫夫(Andrey Varlamov)博士如此评价:“著名超导理论专家儒森斯坦和李定平将带领读者像但丁笔下的维吉尔一样,穿越迷人的拓扑物质世界。”
 
早在12年前,李定平和儒森斯坦合著的《磁场中II型超导体的金兹堡-朗道理论》就发表在物理学科影响因子最高的杂志《现代物理学评论》上,这是中国大陆学者时隔35年后在这本平均每年才刊登约40篇文章的杂志上发表的第二篇论文。作为一名研究方向在国际上也凤毛麟角的、在罗兰教授的语义下多年致力于“纯科学”基础研究工作的中国学者,李定平教授认为,近代自然科学诞生的主要标志是1543年哥白尼公开发表《天体运行论》,仅近40年后,明万历年间,意大利传教士利玛窦就来到了中国,和徐光启一道开启了近代中国的科学启蒙,只是非常可惜因王朝的更迭改变了这一历史进程。
 
我们从历史的进程中可以学习什么?以古鉴今,应如何加强我国的基础理论研究?在新形势下,又应该怎样推动中国科研原创性的发展?带着这些问题,《环球财经》和李定平教授的对话,就从科学基础研究的历史和现实的交织谈起。

“我们需要新时代的伽利略和新的望远镜”——专访北京大学理论物理研究所教授、博士生导师李定平
李定平:北京大学理论物理研究所教授、博士生导师

物理学需要可验证

《环球财经》:大家都说,数学和物理相通之处是它们都是需要想象力的学科。我注意到一个很有趣的现象,在我国大众对科学的认知语境中,早年备受关注的是华罗庚、陈景润这样的数学家,最近数学家张益唐在“朗道-西格尔猜想”研究上可能的突破,也受到了国内大众广泛关注;北大数院还有像韦东奕这样被大众称为“韦神”的学术明星,但相比之下,大众能够耳熟能详的物理学家就很少。而在西方科学史上,出现的引领人类科技快速前进的伟大科学家基本都是物理学家,比如牛顿、爱因斯坦、普朗克等。这是为什么?

李定平:数学是纯思辨的学科,很多研究方向可以和现实世界完全没有关系,物理研究确实有的人做玩具模型(和现实世界无关的“Toy model”)等,但物理的核心本质离不开实验的验证。包括爱因斯坦,不管他的理论如何抽象,也仍然是有实验可以验证的。现在有一些物理学家醉心于“纸上谈兵”,说可能一两百年之后才会有验证,这本身并没有错,但如果其理论在一两百年内都不知道对错,那么我认为还是需要减少这方面的人力物力的投入。

《环球财经》:在国际领域,与您同方向研究的学者,能够取得重要研究进展的人很少, 相关研究人员队伍也不多。您的理论是怎样获得验证的?

李定平:1957年,物理学家巴丁、库伯和施里弗成功建立理论解释了传统金属和合金中的超导现象。根据他们的理论,人们预言超导临界温度将不可能超越40 K(-233℃),但在上世纪80年代中期,由华人科学家朱经武、吴茂坤以及我国科学家赵忠贤等人发现了具有93K(-180℃)超导的Y-Ba-Cu-O体系。最终,这类铜氧化物超导体最高临界温度提高到了165K(-108℃)附近,从而被称为高温超导体。高温超导体的临界温度迈入了液氮温区,大大降低了研究和应用成本。这是一个令人激动的突破,但是后来发现解释这个超导机理非常困难。

整个凝聚态研究最大的问题是,强关联系统没有好的计算方法,以致没办法做第一原理计算,这也是高温超导面临的理论困境,不像低温超导凭一个BCS理论就可以描述所有物理现象,高温超导没有一个理论能够自洽地描述所有物理现象。我研究的一个理论方向是金兹堡-朗道理论。金兹堡-朗道理论实际上不依赖高温超导微观机制,只要超导产生了,而且知道超导体的一些参量(可以宏观测量但又与微观有关的参量),这个模型就可以计算。近十几年来,我们也做多体问题,就是想要研究强关联系统,希望能在强关联理论上取得突破。这个方面的研究是非常困难的,到现在也没有能力完全解决。现有一些非微扰多体计算理论, 人们希望能够用这些理论来处理强关联系统。它要求正确地计算基于这些理论的物理量,而且这个物理量要保持一些恒等式(如Ward恒等式)。但过去这些理论给出的物理量会破坏这些恒等式(有时候一部分恒等式成立, 一部分恒等式被破坏)。最近我和学生提出解决方案, 并且应用到一个关联系统计算经常用到的理论:GW计算理论。我们这个解决问题的思路也受到了一位国际同行的关注。他认同过去的计算公式有问题并且赞同我们的解决方案。当然这些研究太小众了,能看懂的也很少, 这就是基础研究的特点。基础研究的对象是底层的基本问题, 但是进展总是很慢很难, 因此相关研究人员很少。虽然如此,我也是很满意的,这要感谢我的学生们,他们一直在做着非常辛苦的计算工作。同时也要感谢和我合作了24年的儒森斯坦教授。这方面方法论的研究我们很早就开始了,中间参与的学生有的已经毕业。基础研究的突破需要长久的积累。

在利用金兹堡-朗道理论对超导宏观相图理论研究方面,我们的理论可能是最好的理论之一。我们曾经有一个理论预言,关于涡旋态的亚稳态的相变,约在2003~2004年间,美国凝聚态物理学家伊娃·安德烈看到了我们的研究后,来和我们讨论,后来她通过实验测出来了这样一种相变曲线,和我们的理论吻合。这使得我们的理论得到了更多的认同。与完全抽象的数学相比,是否可验证,是物理学的关键特征之一。

基础研究需要独立精神与公平环境

 
《环球财经》:党的二十大报告提出,要加快实施创新驱动发展战略,其中特别提到要加强基础研究,突出原创,鼓励自由探索。您认为我们现在的基础研究水平大概在一个什么位置?对于不足之处,应如何优化?

李定平:应该说,我们的基础理论研究取得了长足的进步,与国外相比的话,从人才梯队和后续潜力来讲大概是在超过日本、但逊于美国这样一个位置。过去全世界顶尖的基础研究人员中不少去了美国,我国也有很多年轻人去美国硅谷写代码,当码农,加入高科技产业,可喜的是现在回国加入科研队伍的年轻人越来越多。但不得不说,年轻人选择基础研究是个冒险。因为我们的评价机制是发论文、影响因子,而基础理论研究看得懂的人少,引用也少,影响因子也上不去,基础理论研究人员确实太辛苦了。

因为跟着我做研究发文章比较难, 发文章的数量也比较少,所以有的学生会畏难而去。但我坚持要求每发一篇文章都要有意义,要有意识地去解决一个问题,不是为了学生毕业而去发文章。当一个研究热点流行,跟风去发表文章的引用率自然就会很高,我做的和这些不太一样,我研究的问题可能是已经想了十几年但还没有解决的问题,不过,这些问题现在也不在风头上,所以即使做出来了,看懂的人不多, 引用率往往不高,但我认为还是要按照自己的兴趣来进行研究。独立的精神对基础研究至关重要。为发文章而做研究,或者为了求职和升迁而刻意去投影响因子高的杂志,是一件非常可悲的事情。

社会评价经常用在《科学》杂志和《自然》杂志发表多少文章来论英雄,这些都不是评价基础研究的好方式。而且以论文论英雄的方式,对国内引进优秀的基础研究人才,会形成较大的偏差和障碍。比如因为影响因子不够,非常优秀的人才可能连“上会”的资格都拿不到就被淘汰了。毕业于北大数院的郇真就是一个活生生的例子,最近她因为继数学家苏步青院士后,第二个以独立作者身份,在数学界顶级刊物《数学学报》上发文,而引起轰动,但是在此之前,这样一位数学界的顶尖人才因为没有通过中山大学“3+3”聘用制度考核,而转去了华中科技大学。她说:“其实我觉得一个数学工作者所面对的世界就像王尔德和安徒生的童话中的一样,残忍、世俗、与你毫无共情的现实世界以及永远怀揣着童话般梦想的主人公,而因为他们与现实格格不入,因此结局经常是悲剧的,而这个世界上的其他人其实并不知道我们在做什么,付出了多少,从他们的角度,我们多多少少是很奇怪的人。”

简言之,在基础科学人才方面需要更合理的评价机制,而且要允许失败,要有容错机制,不能要求引进来的人个个都是“大牛”,假如这样的话,可能一个“大牛”都请不到。

另外,我之前在接受北京大学《教学促进通讯》采访时谈到过,做基础研究不在人多。我国的现状是比较热衷大团队式科研,团队里不管是谁写出了文章,领导团队的教授——“大老板”都要署上名字,也可以拿所有的成果去申请荣誉。每一个项目都必须经过“大老板”的同意,如果年轻的教授坚持自己的想法,可能就申请不到经费。这实际上是一个非常大的问题:做科研的年轻人必须要依附于一个团队,而他在40岁前年富力强的时候都难以有自己独立的思想,这其实约束了中国科研原创性的发展。
另外关于项目评审应该经常换届,避免“学阀化”,随机挑选包括基层老师在内的同行,评审也要更民主化,要尊重各个不同的科学观点。对于理论研究,要让更多的研究者能申请到经费,让科研的独立性有所发展。在多个场合我都讲述过一件让我很感动的事:一位非常著名的意大利科学家,他当时是一个基金的负责人,虽然自己写的提案非常优秀,但他觉得不如别人的提案,于是自己提出把基金给那位学者。这种高贵的学术品德值得大力弘扬,而不应以申请经费多少来论英雄。

《环球财经》:事实上,对于基础人才的培养,可能不单是从大学起,而是要做好基础的教育工作,尤其是教育资源的均衡。近年来,关于“寒门难出贵子”的现象讨论越来越多。据了解,上世纪80年代,您是从江西进贤县(1970年前属于临川)的李渡(镇)中学考上的清华大学,当时,这所镇中出了两位清华学子。而到了90年代,有段时间连“一本”都没人考上。绝大部分镇上的高中都倒闭了。为了不让李渡中学关门,您在2015年和甘晓华院士、航天电子专家赵元富等众多李渡籍社会贤达一起,成立了中国第一只面向农村教育发展的基金“江西省李渡教育基金会”。也正是在基金会成立后,李渡中学起死回生,陆续有孩子考上了浙江大学和西安交通大学等名校。您认为这种方式可以复制吗?如果不能,您认为基于现实,什么样的方式更好?我们应如何达到教育资源的普惠与均衡?

李定平:我个人觉得我们这种自筹的基金会模式,可能很难复制。上世纪70年代末80年代初我上中学,李渡中学的物理老师是复旦大学毕业的,下放到江西。这是一个让我喜欢上物理的机遇。现在想让复旦毕业的老师再下到农村去教育孩子,几乎不可能了。基金会成立后,每年大概有400万元的资金投入到李渡中学中,现在李渡中学中最优秀的教师,年收入能达到20~30万元左右,这在当地属于较高收入,因此才保证了好的老师不流失。尽管如此,李渡中学的成绩还没有恢复到我上学时的水平。

这个基金能够运作成功,原因是多方面的,一是临川特有的历史人文环境(李渡虽然现在属于南昌进贤, 但是文化上还是属于抚州临川),临川建政于东汉永元8年,距今有近2000年历史,是著名的“才子之乡”,古有王安石、汤显祖、晏殊、晏几道、曾巩、陆九渊等巨儒,今有文史学家游国恩、小提琴家盛中国、物理学家饶毓泰等大家,文化底蕴深厚;同时,临川物产富饶,特别是李渡镇是全国重点镇、全国千强镇, 工商业都极为发达,明星企业家众多。大家都怀着一颗回报故里之心来做这件事情,基金的运作也极为透明公正,杜绝贪腐行为,这些条件缺一不可。一方水土养一方人,这是我们的基金会模式能够得以成功的主要原因。

但我也想借这个机会呼吁:乡村振兴战略是党的十九大报告中提出的战略,二十大报告中又首次把教育、科技、人才进行“三位一体”统筹安排、一体部署。我认为,振兴乡村首先要振兴乡村教育,要注重教育资源的普惠与均衡。只有把基础教育工作抓好了,基础研究人才才会一代又一代地涌现出来。

伽利略和望远镜的启示

《环球财经》:以前您在接受采访时曾经谈到:“基础研究就是基础研究,不要太强调应用”“过分强调应用的话,这个国家的科研是走不远的”,这和罗兰在《为纯科学呼吁》里的一些观点是一致的,那么为什么您又认为罗兰的观点有很多有失偏颇的地方呢?

李定平:在读有关科学的起源的发展史时,我注意到,如果仅仅只有单一的欧洲人,是发展不出现代科学的。因为随着西罗马帝国覆灭、古希腊文明失传,欧洲在经历了近千年中世纪的神学统治后,才因由中国西传的印刷术,在十字军东征的过程中,带回了由阿拉伯人保留及学习的古希腊经典著作,又重新翻译成拉丁文,方有了文艺复兴的开始及近代科学的启蒙,这一段历史,很多人是了解的。也就是说,在中世纪这段时期,承袭了古希腊文明的阿拉伯人在对科学的认知上,是领先于欧洲人的。那么,为什么伴随着文艺复兴,近代自然科学萌芽于欧洲呢?哥白尼的“日心说”固然是一次“革命”,但我认为,伽利略和他发明的望远镜,对近代科学的大发展更具启示意义。

近代自然科学是以天文学领域的革命为开端。天文学是一门最古老的科学,在这点上,其实东西方哲人是比较近似的,都有“夜观星象”的爱好。在古希腊,从毕达哥拉斯到托勒密,有不同的天文学理论体系,同时天文学与人们的生产和生活密切相关,种田、畜牧、航海、观测时间都依靠天文学,就连医生治病,也会先占星确定病人有救后才给予治疗。

很有意思,伽利略的祖上就曾是佛罗伦萨的名医,他的父亲非常希望他成为一名医生。但他对古希腊哲学、几何学的兴趣远远大过医学。首先,伽利略一生都忠实于自身的兴趣而不屈从于外界的影响;其次,他有勇气挑战当时的“学阀”亚里士多德,用实验验证其形而上学的错误,即使为此付出代价也在所不惜;再则,伽利略一生都遇到贵人的青睐,也正是多位伯乐的慧眼,得以保证他的研究工作。包括传说中他因为坚持“日心说”而遭受教会的迫害,其实是夸大其词,他和教皇的私交很好,诚然,教皇不愿让他的学说来挑战“神权”,但事实上也没有把他怎么样。另外,大家都知道,伽利略是第一位利用望远镜观测天体取得大量成果的科学家。为什么他能发明望远镜?其实是当时意大利先进的玻璃制造技术提供的基础条件。中国古代主要在陶瓷烧制技术上工艺领先,而意大利的威尼斯全面继承了古罗马以来形成的制作玻璃器传统工艺,在文艺复兴时期成为意大利乃至欧洲玻璃器生产中心。望远镜最早的发明人是荷兰眼镜商利伯希,他偶然发现两片透镜叠加可以看清远处的东西,这是在1608年。伽利略得知后,利用意大利发达的玻璃工艺,在次年即发明了40倍望远镜,从而使得哥白尼的日心说得以验证,这样开启了近代科学迅速发展之门。

从这里可以看出,应用对于理论科学的重要性。罗兰在“为纯科学呼吁”时,对应用之于科学发展的作用过度贬低,有失偏颇;对同一时期中国科技相较于西方的落后,其解读的原因也有片面之处。这是因王朝更替所导致的科技进程的中断,就像欧洲也曾因西罗马帝国的灭亡而丢失了古希腊文明一样。我们今人面对这种历史的“安排”,应该做的是奋起直追,而不是埋怨老祖宗没有给自己留下足够的“老本”。更何况,在人类历史长河中,中国人有近千年时间在科技方面是世界领先的。

有人说,近百年来,人类的基础物理研究“停滞不前”,在科技应用方面吃“大拿”的老本已经快吃不动了,这种说法是不对的。伽利略的一生和望远镜的发明,恰恰告诉了我们,基础研究和应用是相辅相成的关系,应用的突破也会带动基础研究的突破。期待我们有更多的能够独立思考、坚持研究的伽利略出现;也希望有更多善于发现伽利略的伯乐,创造条件保证他的研究;更希望科学技术的应用能够给我们一代又一代人造出继续科学征程的新“望远镜”。

“我们需要新时代的伽利略和新的望远镜”——专访北京大学理论物理研究所教授、博士生导师李定平

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