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前方高能!突破性的基础科学创新的方式

已有 779 次阅读 2023-11-10 01:32 |个人分类:观点|系统分类:观点评述

前方高能!突破性的基础科学创新的方式

武汉理工大学:刘永红

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我写这篇短文的本意,其实是想研究创造性基础科学突破的方式;又因中国亲应用科学,更关注核心技术,故,想对基础科学研究的方式问题,我正儿八经地说几句。总而言之,跨界交流合作是一种独特的方式,有利于创新,尤其是,起到事半功倍的效果。这里,有两个例子:


1

爱因斯坦是完美的创造者,大多数的创造者只是浅尝辄止而已,一般很难达到他的高度。原因是,他在读大学就立志成为一些自然科学领域的创造者,而且定位在理论物理上。作为献身理论物理的新手,他除了对物理一些深奥的问题有兴趣外,还没有意识到数学的重要性,几乎忽视了对高深的数学理论的储备,以至于后来在创立广义相对论时,才发现为时已晚,只好又请年轻数学家马赛尔格罗斯曼来帮他,格罗斯曼是他大学的同学,他甚至对格罗斯曼说,这次你若不助我一臂之力,我真的要发疯了。格罗斯曼为广义相对论找到了合适的数学工具:微分学和黎曼几何。他们两人在1913年成功完成了跨界合作,共同撰写“广义相对论和引力理论纲要”的论文,其中数学部分由罗斯曼执笔。

 

如果爱因斯坦不跨界合作,单凭他自己摸索数学门道,实现他的梦想也许要10。这,恐怕是爱因斯坦不愿接受的方案。正如爱因斯坦所说:“不必担心你数学上的困难。我可明确的告诉你,我的数学困难还要更大。”这是爱因斯坦非常著名的一句话。



图1. 阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)1879年3月14日—1955年4月18日,

出生于德国巴登-符腾堡州乌尔姆市,美国和瑞士双国籍的犹太裔物理学家。

2

唯一的一位在同一领域两度获得诺贝尔物理学奖的美国科学家巴丁,一次是在杨振宁和李政道获诺奖的前一年,也就是1956年,有3获物理学诺奖,以表彰他们对半导体的研究和晶体管效应的发现。其中,巴丁的贡献在于他提出了表面态理论。

 

请允许我敲一下黑板,因为前方高能!

 

巴丁再一次获得诺贝尔物理学奖,也就是1972年。由巴丁自由组合的科研团队,只有3人,就冲着诺奖而去,果真他们同时获得诺贝尔物理学奖,以表彰他们合作发展了通常称为BCS理论的超导电性理论。实际上超导现象早在1911年就被发现。然而,如何解释这一奇怪现象,至少有5获得诺贝尔物理学奖的著名物理学家探讨过这个问题,但都未能解决。而以他们3人的姓氏的首字母组合一起命名的BCS理论一举解决了物理学界的这个长期问题。那么,巴丁是如何组建他的攻关团队的呢?

 

他认为,必须少而精,“打酱油”的人根本入不了他的法眼。他认识到数学方法的重要性,当时他想到量子场论方法也许有助于求解粒子之间有相互吸力的费米气体的多体问题。于是,他找到杨振宁寻求帮助,杨振宁毫不犹豫推荐博士后库珀,可是库珀擅长的理论是量子场论,尽管这个理论与超导现象并不合拍,然而巴丁看中是,库珀有数学物理研究背景,符合条件。他还想找一位,不仅要年轻,而且思想还要活跃,正好有一位巴丁的“铁粉”投入他的门下,是来自麻省理工学院刚毕业20岁出头的青年人,叫施里弗,他美滋滋的成为巴丁的研究生。于是巴丁拿出10个物理学的难题让施里弗选择,建议他选择超导问题。施里弗想了又想,还是拿不定主意,便去征求另一位老师的意见,这个老师知道超导问题很难,不容易解决,他问施里弗,“你年纪多大?施里弗回答说:21于是他说道:“那好,你还很年青,浪费12年时间没关系。”于是乎这个年青人的学术生涯的头等大事就这么搞定了。不得不夸一夸这位老师是一个提问高手,他“明知故问”,说明他不仅智商很高,而且情商还很高。好了,巴丁团队开始进入紧张的挑战的研究工作模式。

 

他们的研究工作走到了关键性突破的节点,这时库珀提出了电子对概念,他从动力学的角度考虑相互吸引的直接作用,他得到了超导态的各种平衡特性。施里弗找到了一个非常简单、且便于计算的波函数,经过数学处理,求出了能隙方程,具体来说,就是吸引势的模型以及绝对零度时的凝聚能,巴丁看了给予高度的肯定。195711月他们在《物理评论》上发表了论文。简直不要太幸福,巴丁团队3人终于抱得诺奖归!


图2. 1972年诺贝尔物理学奖获得者照片

可惜的是,杨振宁没有成为巴丁团队成员,因此他失去了再次获诺贝尔物理学奖的机会,就凭杨振宁的数学实力是完全没问题的。

 

着急的是,中国有的研究者苦干有余,但巧干不足。这样,就很难攻克基础科学研究课题。

 

既如上言,跨界交流合作的方式,意味着取长补短,并形成创新最大的合力。







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