解读“2016年度诺贝尔自然科学奖”

      大卫 · 邵勒斯(David J. Thouless)对很多重要物理问题有深入的思考, 他在同行中有理论物理学家中的理论家称誉。2016年诺贝尔物理学奖授予他和邓肯 · 霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)、迈可·科斯特里兹(J. Michael Kosterlitz), 对他们物质形态及其转化探索的嘉奖实至名归, 从物理学本身的发展状况表彰时机也很恰当: 相应领域正处于蓬勃发展中。随着时间的推移得奖工作在物理学中的重要性会越来越明显, 但对邵勒斯却是迟来的荣誉。他在物理学的其他领域也做出了很多原创、杰出的贡献。

    《科学通报》2017年第12期特邀曾受教于邵勒斯并在他身边工作多年的上海大学和上海交通大学教授敖平，从一个后学的角度讲述了邵勒斯获奖工作在物理学和科学中的意义及其治学风格，希望对当下我国的科学研究者有所启示。

敖平，教授, 1983年毕业于北京大学物理系后赴美留学, 师从A. J. Leggett研学物理, 获博士学位, 博士后进一步受教于D. J. Thouless。后转入系统生物, 与L. E. Hood从事癌症等方面的研究工作。现在从事物理、工程、生物、医学研究。

现将原文中大卫 · 邵勒斯在做学问和培养年轻人方面的内容摘录如下:

独立思考

邵勒斯对事物喜欢形成自己独立的看法, 诚实地对待物理, 对待同事和他自己。在科学报告会上, 在讨论中, 他会如实地、有根有据地提出自己的问题和看法, 直指核心, 没有人们常见的客套。由于深厚的学养, 他很容易就能看到隐蔽的不足之处甚至错误所在。这对一些人是一个灾难, 对更多的人却是一个学问精进的机会。对自己也一样, 偶尔也有搞错的时候, 他会认错。我就碰到过这种情形, 我有些吃惊。他反而给我解释道, 这个问题你已思考了几个月(事实上我思考了不止一年), 你不能指望我一个小时就搞对。他是一个富有平等精神的人, 他对各种歧视很敏感, 很不喜欢。

专注彻底

邵勒斯对工作非常专注, 对问题喜欢探索到它的逻辑终点。我想这种精神引导他和科斯特里兹发现拓扑相变, 为物理研究打开了一道新的大门。诺贝尔奖委员会引证了他的一个1982年工作。他一直在研究其中的问题, 世界上大概只有一双手都数得过来的研究小组在研究它, 大多还与他有直接学术传承关系。大家都觉得他钻了牛角尖。我记得在20世纪90年代中期贝利问他为什么还在研究这个问题, 邵勒斯想了想, 淡淡地回答说, 这像珠穆朗玛峰, 它在那里。老实说, 当时我希望听到一个“热血沸腾”的论证, 对这个平实、简洁的回答是有点失望。在今天的社会环境中, 我们特别容易过度拔高自己的工作。有意思的是在他的Topological Quantum Numbers in Nonrelativistic Physics一书中, 他并没有收录这篇1982年的论文, 而是一篇不是他写的论文, 因为他认为该论文把问题和过程表述得更清楚。这本著作是进入该领域的非常优秀的参考书, 我个人认为是必读。

学养厚实

邵勒斯在物理和数学领域的学术修养非常深厚, 基础训练非常扎实。我反思过自己和他的前学生为什么不能突破三维，发现是因为我学到的常微分方程理论太浅。在研究量子涡旋动力学时, 我感觉用弛豫时间近似处理拓扑效应有问题, 但一直找不到抓手: 这个近似在凝聚态物理及其输运过程中应用广泛, 很多情况下也很成功, 似乎不可能有根本性问题。他建议我去重新研究Green和Kubo是如何建立输运理论的, 在重读原始文献中我才注意到这些先驱者已经知道弛豫时间的局限, 有时甚至会引起定性错误。经过反复思考, 我和朱晓梅找到一个不用弛豫时间近似的方法，又能同时计算量子涡旋的拓扑效应和耗散效应: 贝利相位和摩擦系数, 并演示了贝利相位与能谱流动的等效, 计算出摩擦或耗散的相关函数S, 同时也讨论了相关函数S和随机力x的关 系——耗散涨落定理: <x(t)x^t(t)>=2 S(t-t′), 其中<···>是对随机力的平均,t是转置。如果是高斯白噪声，S(t-t′)= hd(t-t′)，其中h就是摩擦系数。这个方法最近在研究冷原子系统中孤子的有效量子运动时被重新发现。

心怀实验

邵勒斯总是跟我说, 当我们构造一个物理理论时, 至少要想到该理论原则上的实验检验手段。如果它原则上不能被检验, 那就不是一个物理理论。我想正是这个理念让他的许多工作走在实验的前面。我也有一个实验提案检验他的1982年工作。 由于对实验条件要求较高, 据我所知迄今对这个提案还没有明确实验结论。我们也讨论了涡旋的一个量子拓扑效应的实验检验。

学术传承

创新工作很少是凭空出现的，适当的传承和良好的环境很重要。邵勒斯的博士导师是Bethe, Bethe做过Fermi的博士后, Fermi跟Ehrenfest学习过, 等等。Fermi和Ehrenfest都是公认优秀的物理学导师。Bethe知识渊博、科学判断力强, 写了凝聚态物理的第一本教科书, 提出恒星，如太阳演化的标准模型。发表的成果只是他们考虑过的一部分。邵勒斯当时工作环境是Peierls所营造, 是当时著名的物理研究中心, 加上英国近代一直对学术研究的宽容, 我们都知道她收容了马克思, 《资本论》是在英国基本上完成; 不太为人所知的是她也收容了Bohm, 这让我们有了Aharonov-Bohm效应, 一种著名的拓扑效应; 她回收没找到国外进一步博士后的Kosterlitz, 让他“捡到”一个物理学诺贝尔奖. 邵勒斯告诉过我他从20世纪60年代中期就在思考相变相关问题, 70年代初和Anderson的讨论对他拓扑相变想法的发展帮助很大, Kosterlitz的加入对研究非常给力。

我国传统主流之一的儒家文化鼓励中庸, 不鼓励刨根问底、为规律而规律, 我想邵勒斯的榜样告诉我们应该如何独立思考、自信工作, 让学术研究成为与经世致用和道德艺术平行的追求方式。这些是目前我国在文化发展上, 特别在科学研究中相当缺乏的。这对我们在突破思想樊篱、孕育科学创新中又多了一些助力。

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敖平. 大卫 · 邵勒斯的治学和建树: 纯粹探索凌绝顶. 科学通报, 2017, 62: 1199–1204.

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/CSB/62/12/10.1360/N972017-00339?slug=abstract