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【中国科学报】格“物”致新 穷“理”尽微——走进中國科學院理论物理前沿重点实验室

  

   

   

  提出d-wave自旋—轨道密度波为铱化合物Sr2IrO4提供了新的视角(图为无序d-wave自旋—轨道密度波导致的Fermi arcs)

   

  提出軸子模型解釋EDGES實驗組反常信號(圖爲QCD軸子對應的參數空間)

   

  實驗室大廳

   

  中科院理论物理研究所所史墙(兩院院士)

   

  紀念愛因斯坦廣義相對論100年國際引力宇宙學會議暨第四屆伽利略徐光啓會議

   

  實驗室年終總結交流會

   

  用于求解統計力學問題的變分自回歸神經網絡結構圖示

   

  提出物理機制理解“悟空”暗物質觀測結果

  北京,中关村。中國科學院基础科学园区东南角,有一座看上去很普通的小楼。走进小楼,安静而敞亮的天井里弥漫着淡淡的咖啡香味,时常有一些学者在这里驻足,端上一杯咖啡,或侃侃而谈,或激烈争论,或在黑板上默默演算,或倚在墙上若有所思……

  这栋楼里,没有大型科研仪器,也没有试管交错的实验台。如果不是楼外挂的牌子上写着“中國科學院理论物理前沿重点实验室”(以下简称理论物理前沿重点实验室),人们很难将它与传统意义上的实验室联系起来,更难以想到这里学霸云集——楼道里偶遇的那些人,每天都徜徉在大宇宙和小粒子之间,与国内外同行进行着密切的合作和激烈的争论。

  不做“實驗”的實驗室 

  在中國科學院诸多重点实验室中,理论物理前沿重点实验室显得有点“另类”。

  “我们是‘不做实验的实验室’,当然,这里的‘实验’是要打引号的。”理论物理前沿重点实验室主任、中國科學院理论物理研究所(以下简称理论物理所)所长蔡荣根笑着说。

  做了30多年的理論物理研究,蔡榮根見證了理論物理研究範式的變化。作爲物理學的基礎,理論物理沒有龐大且精密的實驗裝置。過去,研究人員依賴的“儀器”是“一張紙一支筆”,如今也不過是科研人員的頭腦和計算機。

  “如果非要說做實驗,我們做得最多的就是思想實驗。”蔡榮根說。

  正如伽利略推論“物體在不受力的影響時會永遠運動下去”,愛因斯坦推論“光線在引力場中會發生偏折”,理論物理不少經典理論的誕生,靠的都是紙、筆和科學家的智慧。

  這樣的特質,讓理論物理前沿重點實驗室注定與衆不同——沒有華麗的裝置,也沒有龐大的科研隊伍。

  “實驗室固定成員不足40人,但這個團隊非常‘高精尖’。理論物理研究不在人多,而是需要頂尖的科學家。”理論物理前沿重點實驗室固定成員、理論物理所黨委書記馮稷說。

  這裏集聚了許多國內理論物理學科的傑出人才。實驗室的固定成員全部是副研究員及以上級別,不僅如此,不少院士大家都曾經或正在這裏工作,如彭桓武、周光召、何祚庥、戴元本、郝柏林、蘇肇冰、于渌、張肇西、歐陽鍾燦、吳嶽良、孫昌璞、向濤、蔡榮根……

  不關大門的實驗室 

  每次走進實驗樓,周善貴的目光總習慣在雪白牆上八個藍色大字——“開放、交融、求真、創新”上停留片刻。這是2008年在理論物理所成立30周年之際,老所長周光召題寫的辦所理念。

  1978年,在我国老一辈科学家和全国理论物理学界的共同努力下,经邓小平等中央领导批示,理论物理所正式成立。1985年,理论物理所成为中國科學院首批向国内外开放的研究所之一。

  依托理論物理所20多年開放辦所的基礎,2008年理論物理前沿重點實驗室成立,自然而然地繼承了理論物理所“開放”的基因。

  望著“開放”兩個大字,周善貴的思緒時常會回到十多年前。2004年,周善貴辭去北京大學物理學院副教授一職,來到理論物理所做副研究員,並在2008年理論物理前沿重點實驗室成立後,成爲實驗室最早的固定成員之一。

  當初,他做出這個決定,正是因爲理論物理所的“開放”。“當我還在北大攻讀博士學位時,就已經享受到了這裏開放帶來的福利。當時,理論物理所的資料室是國內特別好的資料室,大家都可以到這裏來查資料。”

  理論物理前沿重點實驗室成立後,這裏更成了一個不關大門的地方。

  訪問學者制度和各類訪問學者計劃逐漸建立完善。實驗室固定科研人員可以邀請訪問學者來訪,實驗室則會爲這些訪問學者們提供旅費和生活補貼,實驗室主管負責來訪事宜的全程協助。

  設立專項經費支持國內外優秀博士後和博士畢業生。年輕的科研人員可以到實驗室參加各種學術活動,實驗室會資助他們旅費,並提供生活補貼。

  2013年起,理論物理前沿重點實驗室設立開放課題,制定申請指南和管理辦法,面向全國征集開放課題項目。例如,自開放課題設立後,國內引力物理研究群體開展了卓有成效的交流與合作,發起了“引力物理聯合討論班”活動,共組織了百余場學術報告。

  2017年起,實驗室通過部署重大研究課題開展合作研究,由實驗室科研人員牽頭,組織國內相關領域科研力量進行攻關研究。

  “我現在承擔著實驗室‘電弱對稱破缺機制’這個課題的攻關研究工作。”理論物理前沿重點實驗室固定成員舒菁說,“我們課題組目前有3位固定研究人員、4位博士後和12名研究生,在實驗室經費的支持下,我們還邀請了一位國外的資深教授每年來研究所開展3個月的合作研究。”

  不僅如此,理論物理前沿重點實驗室還通過實驗室年會、卡弗裏理論物理合作交流平台、彭桓武理論物理創新研究中心、前沿論壇、國際會議、交流互訪等形式,吸引國內外傑出理論物理學家合作交流。

  “我們每年春季都會舉辦實驗室年會,圍繞實驗室的一兩個研究方向,召集國內相關領域的學者前來交流工作。每年夏天,實驗室還會舉辦高級研討班和暑期學校,國內所有科研機構和高校的研究生都可以報名參加,堅持了十多年,培養了一大批學生。”理論物理前沿重點實驗室副主任周宇峰說。

  在全國理論物理學者心中,理論物理前沿重點實驗室就像一個“學術之家”,而這個家的大門一直向國內外同行敞開,讓實驗室內外的科學家有了合作和切磋的機會。

  不數論文的實驗室 

  理論物理前沿重點實驗室的管理人員曾統計過,從2014年到2018年,實驗室共發表SCI論文1667篇,被引頻次總計13610次,平均每年發表高水平學術論文300篇左右。但有趣的是,實驗室在考核評估科研人員時卻從不數論文。

  每年,當全國各地的實驗室都在年終考核時,理論物理前沿重點實驗室的科研人員會坐到一起,開一場特殊的“年終總結交流會”。實驗室裏60歲以下的科研人員都會出席,每人15分鍾,介紹自己一年的工作。無論資曆高低,介紹時,報告人隨時可能被其他研究人員打斷和質疑。

  “沒有人會因爲一年沒發一篇論文而受到指責,也沒有人會特意報告自己一年發了多少篇文章。寫文章對于他們來說不算難事,但他們的目標是,文章寫出來要得到國內外同行的認可,要能真正推動理論物理往前走一步。”理論物理所科研處處長莊辭說。

  获得同行认可才是科研人员的压力所在。“到理论物理前沿重点实验室来工作的人,都想真正做点事情,在科學研究上有成就,而不是仅仅发表几篇论文。”蔡荣根坦言。

  在這個不數論文、不看“帽子”的實驗室,每年的年終交流就像一場華山論劍,而考核評定就在學術委員會與科研人員高手過招的過程中完成。

  “實驗室的人不多,只要跟他們聊上幾句話,就可以知道科研人員在思考什麽問題、處于什麽樣的狀態。”蔡榮根說。

  這一科研評價方式是理論物理前沿重點實驗室的一大特色。“在這裏,大家是爲了真正把物理問題搞明白,而不是爲了趕時髦、發論文,或做一些看起來很熱鬧的研究。”理論物理前沿重點實驗室固定成員易俗說。

  由此,一些“冷门”科研方向得以“生长”。“回国工作13年,我只申请了两次竞争性科研经费,主要依靠中國科學院和实验室的经费支持。无序自旋玻璃理论在国内依然是独此一家,这样的冷门学科研究也许只有在我们实验室才能坚持下去。”理论物理前沿重点实验室常务副主任周海军说。

  理論物理前沿重點實驗室在引進和培養理論物理新生代力量方面也有了優勢。實驗室多個自主部署研究課題的負責人都是35歲以下的年輕人,讓他們能夠充分地發揮科研自主性,開展原創性探索性研究工作。“在這裏,評價體系沒有一刀切,這對于想安心做科研的年輕人來說十分重要。”34歲的固定成員何頌說。

  不甘現狀的實驗室 

  一般来说,中國科學院的重点实验室通常聚焦单一的研究方向,但理论物理前沿重点实验室不同。

  這裏的學術精英關注著該學科4個最重要的研究領域——粒子物理與粒子天體物理及核物理,弦論、引力理論與宇宙學,統計物理與理論生物物理,凝聚態物理與量子物理。

  在粒子物理、粒子天體物理與核物理研究領域,15名研究人員聚焦物質微觀結構。近年來,他們在超越粒子物理標准模型研究、暗物質、核結構物理等前沿方向取得了多項重要成果。例如,他們發現了一種全新的“最大對稱性”,完美解釋電弱對稱性自發破缺的起源;首次提出在歐洲核子中心的大型強子對撞機上利用單噴注信號尋找主要成分是希格斯超對稱伴子的超對稱暗物質;提出導致高能宇宙線電子能譜在傳播過程之後仍出現顯著結構的兩種基本物理機制,發現可以通過測得的能譜結構反推出源的時空分布,對“悟空”號暗物質衛星等實驗結果的理論研究起到引領作用。

  在弦論、引力理論與宇宙學方向上,實驗室組織了10名研究人員進行探索。近年來他們發現宇宙暴脹後的重加熱過程能産生引力波;發現早期宇宙産生的原初黑洞的並合過程能産生引力波;突破性地得到一般場論中散射振幅的幾何描述並應用到數學物理相關問題;首次實現CHY公式在場論框架內的圈圖修正並推廣到標准模型、高階算符修正等新情況。

  在統計物理與理論生物物理方向上,實驗室共有7名研究人員,在統計物理理論基礎、機器學習統計物理、自旋玻璃理論、消息傳遞算法、軟物質物理、基因調控機制、多尺度模擬方法等多個問題的研究中取得了一系列重要成果和進展,被《自然》《科學》《美國科學院院刊》《現代物理評論》等刊物多次引用。

  在凝聚態物理與量子物理方向上,7名科研人員聚焦強關聯電子系統、高溫超導、外場中的原子分子、冷原子物理、人工量子器件以及量子光學等前沿課題。他們提出了在光學腔實現自旋軌道耦合原子氣體的方法;在自旋系統中率先提出了外爾磁子的概念;發現了銥氧化物的奇異量子物態;給出了自旋玻色子模型在熱力學極限下的動力學行爲等。

  “目前,這4個研究方向是國內理論物理學科領域的主要研究方向,也是國際理論物理學界重點研究的方向。”蔡榮根介紹。

  不僅如此,理論物理前沿重點實驗室在支持自由探索的同時,還主動服務國家戰略需求,爲大科學裝置的設計、建造和運行提供理論支撐;積極承擔國家重大科技任務和科研項目,2014年至2019年共承擔國家級科研項目150多項。

  雖然目前實驗室在原始創新和服務國家創新需求方面成績斐然,但並不因此自滿。“我們計劃在現有4個研究方向的基礎上,進一步凝練學科方向,加強學科交叉。”蔡榮根說。

  前不久,理論物理所與中科曙光開展合作,成立了“理論物理先進計算聯合實驗室”,開展高性能計算的軟件開發和應用研究。蔡榮根介紹,未來隨著學科發展,高性能計算可能會納入理論物理前沿重點實驗室的研究方向,“隨著條件的成熟,我們將會對研究方向進行進一步調整”。

  自誕生之初,老一輩科學家就對理論物理前沿重點實驗室抱以期許——成爲“中國理論物理研究中心”。

  如今,初心仍在。“我們的目標是要把我國理論物理的旗幟扛住,對得起老一輩科學家,對得起學科發展,對得起全國理論物理同行的期待。”蔡榮根說。

   千金易得 知音难求 

  “很多同行是不敢到我們這裏來作報告的。”理論物理前沿重點實驗室主任蔡榮根開玩笑說,“因爲一不小心就會下不來台。”

  在理論物理前沿重點實驗室,報告人的報告如果有不嚴謹之處,聽衆會在台下直接打斷並提出質疑。

  在很多人看來,這似乎有些“不留情面”,但這卻是理論物理前沿重點實驗室的一種文化傳統。“挑刺”與“被挑刺”也是理論物理學家工作中的樂趣之一。

  负责实验室管理工作的中國科學院理论物理研究所科研处处长庄辞,也曾是一位理论物理学的科研人员,她用自己的亲身体会告诉《中国科学报》:“做理论物理的人,不怕被‘挑刺’,而怕‘没人懂’。”

  “報告作完之後,如果大家都沒聽懂,沒有一個人提問,那才真是落寞。”莊辭說。

  不過,在精英雲集的理論物理前沿重點實驗室,這種落寞不會出現。在切磋中前進、在合作中共贏,是這個實驗室每位科研人員都在做的事。

  對于青年研究人員何頌來說,切磋與合作時常讓他頗有成就感。何頌做的是弦論、量子場論研究。2015年回國前,他曾在美國普林斯頓高等研究院和加拿大圓周理論物理研究所做聯合博士後。

  “回國後,我沒有選擇去待遇更高的高校,而是來到這裏,就是因爲我的研究方向上的同行並不多,而在這裏,和我同一年被招進來的同事裏,就有3個人都是做這個方向的。進入實驗室後,我們很快組成了一個小團隊。如今,這個小團隊的研究水平在國內乃至亞洲已達到領先。”何頌的話語中透露出一絲自豪。

  如果說,物理學是自然科學的基礎,那麽,理論物理學可謂“基礎的基礎”。在曲高和寡的理論物理領域,實驗室的同事們對于彼此來說,更像一種知音般的存在。

  “理論物理學科難度大、內容艱深,能夠跨過門檻做理論物理的人都是非常聰明的,而理論物理前沿重點實驗室正是聚集了這樣一群聰明人。所以在這裏,研究人員講的東西,永遠都有人能懂,都有人能提出創造性的建議,如此一來,每個人都能感覺到自己工作的價值。”莊辭說。

  小而精的理論物理前沿重點實驗室,像磁石一般吸引著全國理論物理學界的人才。“高手喜歡和高手在一起,就像下棋一樣,棋逢對手才好。”蔡榮根說。

  (倪思潔)

  中國科學院理论物理前沿重点实验室简介 

  中國科學院理论物理前沿重点实验室于2008年依托中國科學院理论物理研究所正式成立,属于基础理论类实验室。

  实验室定位为:依托中國科學院理论物理研究所,面向科学前沿,面向国家大科学工程,坚持“开放、流动、竞争、联合”的方针,联合全国理论物理学工作者,聚焦理论物理核心问题研究,促进交叉学科发展,为国家大科学工程提供引领,培养创新型人才,成为国际一流水平的“基础研究中心、人才培养基地、学术交流平台”。

  實驗室圍繞粒子物理、粒子天體物理與核物理,弦論、引力理論與宇宙學,統計物理與理論生物物理,凝聚態物理與量子物理4個研究方向開展研究工作。

  (原载于《中国科学报》 2020-08-11 第4版 聚焦)
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