石艷美

如果沒有麥克斯韋在一個(gè)半世紀(jì)前建立的電磁理論，今天我們可能還無法享受手機(jī)和無線通信帶來的生活便利，人與人之間的遠(yuǎn)距離溝通還需要跨越千山萬水；如果沒有上世紀(jì)初愛因斯坦提出的狹義和廣義相對論，GPS導(dǎo)航也就無從談起，人類將會繼續(xù)迷失在自然制造的東西南北中；如果沒有黑洞理論支持，2016年美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的引力波只能說“不知所謂”……

長期以來，人們重視實(shí)際價(jià)值、現(xiàn)實(shí)意義帶來的肉眼可觀的成果產(chǎn)品，卻往往忽略了其基礎(chǔ)理論發(fā)現(xiàn)、建立時(shí)歷經(jīng)的漫長積累。當(dāng)然，這與基礎(chǔ)理論本身的性質(zhì)是密不可分的。“一直以來，基礎(chǔ)理論研究旨在追求自然界中的基本規(guī)律，而非具有實(shí)際產(chǎn)物的現(xiàn)實(shí)效益。認(rèn)識世界，掌握規(guī)律，從而改造生活這是基礎(chǔ)理論研究始終不變的宗旨。”蘭州大學(xué)物理學(xué)院教授劉玉孝如是解釋。

在理論物理研究領(lǐng)域摸爬滾打多年，劉玉孝深諳個(gè)中原委?！岸虝r(shí)間內(nèi)，很難說純理論研究有什么用途，會帶來什么，但從長遠(yuǎn)來看，當(dāng)今的科技產(chǎn)品哪一樣也離不開它。所以，有一點(diǎn)是毫無疑問的，基礎(chǔ)研究必然會成為人類技術(shù)發(fā)展的源泉和原動(dòng)力?！?/p>

他的話篤定、有力，是對研究本身的信任，也是對自我選擇的信服。多年來，他在這萬千現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)獨(dú)特的樂趣。在他看來，理論物理如同競技游戲一般，遠(yuǎn)觀復(fù)雜、難解，但細(xì)細(xì)品茗，真正理解便是另一番滋味?！爱?dāng)用一個(gè)簡潔的公式表示出一系列繁雜的現(xiàn)象，就會發(fā)現(xiàn)其樂無窮?！庇谒裕芯渴加谂d趣，終于魅力。

走進(jìn)物理理論的“大觀園”

超弦理論、額外維、黑洞物理……當(dāng)這些生僻、晦澀的字眼躍然紙上，相信每一個(gè)非專業(yè)看客都會對此感到頭痛。它們是什么？它們又能做什么？

人類認(rèn)識自然世界，多數(shù)是采用理論去描述。逐古溯今，人們對于最小的基本單元的追求從未止步，從個(gè)體到分子、原子，再到現(xiàn)今最小的電子、夸克，這些粒子無不例外被看做點(diǎn)來研究，而引入有長度的弦作為基本粒子，則是在20世紀(jì)70、80年代才逐漸出現(xiàn)。

劉玉孝將發(fā)展演化娓娓道來。在自然界中，已知的相互作用有4種，即電磁相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相互作用和引力相互作用。其中，前三者已由量子力學(xué)和狹義相對論的結(jié)合統(tǒng)一，而廣義相對論描述的引力理論卻一直未被統(tǒng)一進(jìn)去。

愛因斯坦的后半生一直在尋找這種統(tǒng)一場論，即一個(gè)能在單獨(dú)的包羅萬象的數(shù)學(xué)框架下描寫自然界所有力的理論。然而，直至生命消逝他仍未能如愿。其中很重要的一個(gè)緣由便是：引力相互作用十分微弱，相比其他三者有著顯著的能級差別。研究表明，它和弱電相互作用之間的能標(biāo)差達(dá)到16個(gè)數(shù)量級。因此，這項(xiàng)被稱為規(guī)范層次問題的統(tǒng)一，至今仍是物理學(xué)界遺留的經(jīng)典難題之一。

“超弦理論是當(dāng)前最有希望統(tǒng)一4種相互作用的理論。”劉玉孝對于超弦理論的研究由來已久。他表示，若用一個(gè)比喻形容，超弦理論更像是一個(gè)野心勃勃的政治家，它的藍(lán)圖則囊括了自然界中所有的相互作用，是旨在實(shí)現(xiàn)完整的統(tǒng)一。在W弦理論研究方面，他列出一份簡略的答卷?！拔覀冎饕o出了高自旋W弦理論的旋量場實(shí)現(xiàn)，具體來說包括兩點(diǎn)，一個(gè)是得出構(gòu)造任意自旋的旋量W（2，s）弦理論的方法，另一個(gè)是給出了非臨界W弦理論的旋量場實(shí)現(xiàn)。”

黑洞作為連接引力理論和量子力學(xué)的一個(gè)理想場所，是深入研究量子引力理論的不可或缺的基礎(chǔ)部分。基于此點(diǎn)，劉玉孝與魏少文教授提出了“黑洞分子”假說，著手探究黑洞的微觀結(jié)構(gòu)?！昂诙丛跉v經(jīng)相變時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)，會發(fā)生類似于水分子氣液相變的變化。在不同溫度的狀況下，我們發(fā)現(xiàn)黑洞分子之間存在弱的相互吸引作用。這對于深入研究量子引力理論提供了一定的理論基礎(chǔ)?！痹摮晒撐挠?015年，在物理學(xué)頂尖雜志Physical Review Letters（《物理評論快報(bào)》）上隨之發(fā)表。

為學(xué)者腳踏實(shí)地

1997年，劉玉孝第一次踏進(jìn)蘭州大學(xué)的校門，走進(jìn)讓他魂?duì)繅衾@的物理學(xué)院。雖是初來乍到，但他對蘭州大學(xué)物理學(xué)院段一士先生卻似相識如多年的“老朋友”。這說起來有一人是不得不提的，他就是劉玉孝的高中物理老師羅祥君，也是帶領(lǐng)劉玉孝走進(jìn)物理殿堂的第一人?！案咧袝r(shí)很喜歡物理，喜歡研究自然界背后隱藏的規(guī)律。而羅老師對物理規(guī)律清晰、明了的詮釋以及對物理學(xué)崇高的熱情對我影響很深。他了解蘭州大學(xué)，十分推崇段一士先生，這跟我后來報(bào)考蘭州大學(xué)有很直接的關(guān)系?！?/p>

蘭州大學(xué)歷來崇尚自然科學(xué)，理論研究氛圍也便分外濃郁。據(jù)劉玉孝回憶，得益于良好的環(huán)境條件，當(dāng)時(shí)能有幸聆聽老一輩教授的授課和學(xué)術(shù)講座。這些老先生或?yàn)樯鲜兰o(jì)50年代留蘇歸國，或?yàn)楸本┐髮W(xué)直接調(diào)派，在研究上造詣?lì)H深。段一士、錢伯初、汪志誠、高崇伊、汪映海等先生均在其列，特別是段一士先生的講座，若去晚了就只剩門邊可以擠了。“我印象特別深刻，最初我并沒有涉及到廣義相對論，對這方面的理解很是膚淺。后來聽完段先生的一堂講解，瞬間豁然開朗，發(fā)現(xiàn)引力理論原來沒有多么神秘，而數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和物理圖像也可以那么清晰和簡潔?！痹谶@里，劉玉孝像久旱逢甘霖的禾苗，盡情汲取著知識的養(yǎng)分。

憑借對物理的赤誠、勤勉，劉玉孝于2001年被保送研究生至本校理論物理專業(yè)，師從趙書城教授。趙書城教授嚴(yán)格的態(tài)度是一貫的，劉玉孝坦言至今還記得自己被掛黑板10分鐘，面對臺下一眾同學(xué)的羞愧。但令他更為印象深刻的是老師事后留下的一句話“基礎(chǔ)不扎實(shí)一切都是虛的”。猶如當(dāng)頭棒喝，從此一份踏實(shí)也就深深地鑲?cè)雱⒂裥⒌目蒲腥松?dāng)中。之后，在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下，他不負(fù)所望，在國際知名學(xué)術(shù)刊物《高能物理》（Journal of High Energy Physics）和《核物理B》（Nuclear Physics B）等雜志上發(fā)表10篇SCI學(xué)術(shù)論文，影響因子總和達(dá)到21。先后榮獲甘肅省第四屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽三等獎(jiǎng)、校優(yōu)秀科研成果獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)、寶鋼優(yōu)秀學(xué)生獎(jiǎng)等諸多榮譽(yù)。

博士期間，在導(dǎo)師段一士先生的建議下，劉玉孝的理論研究逐漸開散出新的枝杈。“當(dāng)時(shí)段先生找到我，鼓勵(lì)我不要放棄W弦理論方向的工作，并建議我同時(shí)考慮新的方向。他給我寫了一個(gè)公式，告訴我這是額外維方面的，可以慢慢開展相關(guān)的研究。這個(gè)公式一直影響我到現(xiàn)在，而額外維理論逐漸成為我的主要研究方向?！?

為了方便記者進(jìn)一步理解，劉玉孝細(xì)致地做出一番講解?！半S著事物的演化，人們對空間有了逐步的認(rèn)識。通常而言，我們將生存空間看成三維空間，加之時(shí)間這一維度，整體被稱為四維時(shí)空。但為了解釋更多的規(guī)律，理論物理學(xué)家預(yù)言現(xiàn)實(shí)時(shí)空可能還存在人類看不到的維度，只是我們身在其中認(rèn)識不到其原理。這種維度也就被稱為‘額外維?！?/p>

2006年，劉玉孝在摘得第三屆中國青少年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)的同時(shí)，面臨著博士畢業(yè)，其成果論文也應(yīng)運(yùn)而生——“W弦的新發(fā)展和引力規(guī)范理論與額外維新物理效應(yīng)”。憑借此論文，他獲得2008年全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文提名論文獎(jiǎng)。同年，與獎(jiǎng)項(xiàng)并肩而來的還有教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”入選名額以及蘭州大學(xué)教授的聘書。那年劉玉孝31歲，已成為全校最年輕的教授。

為師者繼往開來

“不以物喜，不以己悲”，劉玉孝自始至終瞄準(zhǔn)的是科研這方天地。從2006年留校工作開始，他便馬不停蹄地展開項(xiàng)目研究。基于上述曾提到的規(guī)范層次問題，他利用高維時(shí)空引力與膜世界理論研究，建立出一系列高階引力理論中的膜世界模型，并提出新的費(fèi)米子的局域化機(jī)制。而有關(guān)額外維與膜世界的項(xiàng)目推進(jìn)方面，他也斬獲連連：提出了一個(gè)新的膜世界模型，克服了Randall-Sundrum模型的缺陷，并預(yù)言了新的TeV能標(biāo)物理效應(yīng)；發(fā)現(xiàn)了膜世界上各種場的Kaluza-Klein共振態(tài)。

“膜世界最簡單的理解就是運(yùn)用降維的思想來解釋，我們處在三維的空間，二維世界就被稱為膜世界。同理，在假設(shè)高維時(shí)空存在的狀況下，我們生活的三維空間也就變成一個(gè)膜世界?！眲⒂裥⒄f道。

針對膜世界不能實(shí)現(xiàn)場論中的重整化問題，劉玉孝擴(kuò)展引力理論，將擴(kuò)展理論中的膜世界進(jìn)行新的思考。膜世界是否穩(wěn)定？粒子是否存在于膜上？額外維如何檢驗(yàn)？

“作為一個(gè)例子，我們考慮f（R）引力理論，這是廣義相對論的一個(gè)典型擴(kuò)展。擴(kuò)展項(xiàng)f（R）的引入，導(dǎo)致需要求解四階微分方程組。而四階微分方程組沒有統(tǒng)一的求解方法，這是眾所周知的。后來，我們通過漸近行為的分析，利用f（R）函數(shù)的自由度，找到方程中導(dǎo)數(shù)階最高的函數(shù)A的具體表達(dá)式，由此出發(fā)，獲得了其他函數(shù)的解析解。值得一提的是，解析解的獲得，為我們分析f（R）引力膜世界是否合理提供了基礎(chǔ)。”

在2015年的“優(yōu)秀青年科學(xué)基金”項(xiàng)目答辯中，劉玉孝展示著他的團(tuán)隊(duì)幾年來的心血結(jié)晶?；谝环N新方法的提出，他們獲得擴(kuò)展引力理論膜世界的解析解，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定；而局域化機(jī)制的運(yùn)用，則解決了標(biāo)準(zhǔn)模型中各種粒子在膜上的存在性問題；不僅如此，他們還大膽預(yù)言膜世界上存在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的共振態(tài)粒子，并提供出可能的額外維實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)途徑。

即便放眼世界，劉玉孝和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性的研究價(jià)值也是不容忽視的。引力專家H.Lu教授在2012年發(fā)表的JHEP文章中，采用劉玉孝團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新研究方法，并明確指出其團(tuán)隊(duì)首次給出的f（R）引力膜世界的漲落分析。2014年，膜世界專家 Almeida教授，則在PLB的文章中對他們的工作多處評述。不但將其發(fā)展的關(guān)于局域化的方法看做一個(gè)立足點(diǎn)，還通過論述后明確表示該方法是研究費(fèi)米子的局域化問題的唯一選擇。

如今，作為蘭州大學(xué)的教授、博士生導(dǎo)師，劉玉孝左手科研、右手教學(xué)，忙得不亦樂乎。他表示，將繼續(xù)進(jìn)行高維時(shí)空理論與粒子物理方面的工作，探索額外維在加速器和短距離引力實(shí)驗(yàn)中的新物理效應(yīng)。同時(shí)，他也會跟進(jìn)國際新領(lǐng)域發(fā)展，順應(yīng)國家需要，積極融入引力波相關(guān)研究工作當(dāng)中；加入我國空間引力波探測計(jì)劃，用已有的相關(guān)基礎(chǔ)理論，為引力波的長期研究開展提供切實(shí)有用的支撐動(dòng)力。

教學(xué)方面，劉玉孝秉承著分而治之的原則。本科生階段，他強(qiáng)調(diào)基本素質(zhì)的培養(yǎng)，在學(xué)生系統(tǒng)、全面地學(xué)習(xí)物理學(xué)知識之際，提倡按需分配?！叭绻且院蟠蛩憷^續(xù)深造，深入學(xué)習(xí)理論知識就是首要的，但若打算畢業(yè)后直接到社會服務(wù)，那么在掌握基本知識和方法的同時(shí)，還應(yīng)該養(yǎng)成一種處理問題的思維?！睂τ谘芯可逃?，劉玉孝則繼承了段一士先生的一貫作風(fēng)，即用最快的時(shí)間建立一個(gè)最小的知識體系。“研究生在基本知識之外，需要更強(qiáng)的自學(xué)能力，要能根據(jù)自己的科研方向確定所需要的最小知識體系，而不是把所有的知識都籠統(tǒng)地學(xué)一遍。要做到學(xué)而求精，盡早規(guī)劃，摸清脈路，靈活應(yīng)用所學(xué)知識，同時(shí)兼具創(chuàng)新意識?！?/p>

教學(xué)與科研結(jié)合，教學(xué)內(nèi)容為科研工作提供基礎(chǔ)，科研工作將教學(xué)內(nèi)容的理解加深、加固。貼近前沿，把握發(fā)展，劉玉孝在科研與教學(xué)相互促進(jìn)的過程中跨步前行。