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40年前物理诺奖得主Giorgio Parisi在《中国科学》发文,他研究了什么?

撰文 | 吴咏时(美国犹他大学终身教授、杰出理论物理教授) 庄辞(中国科学院理论物理研究所科研处处长)
瑞典时间10月5日下午宣布的2021年诺贝尔物理学奖授予了美国物理学家Syukuro Manabe、德国物理学家Klaus Hasselmann和意大利理论物理学家Giorgio Parisi。其中,Giorgio Parisi获得了一半的奖金,获奖原因为“发现从原子到行星尺度的物理系统无序和涨落的相互影响”。
 
当天下午举行的Nobel Prize Colloquium上,在介绍Giorgio Parisi的重要工作时,有一篇1981年发表在《中国科学》期刊上的论文引起了我们的注意。论文作者为Giorgio Parisi和Wu Yongshi(吴咏时),论文题目是《Perturbation Theory without Gauge Fixing(不用固定规范的微扰论)》,论文的第一完成单位为中国科学院理论物理研究所。
 
Parisi是意大利著名理论物理学家,早在70年代时,他在粒子物理方面的研究工作就已经为人熟知,为什么这篇论文会以中科院理论物理所作为第一完成单位发表?又为何会发表在《中国科学》期刊上?这篇论文解决了什么重要的科学问题,与诺奖的关系如何?吴咏时与Parisi的合作是怎样完成的?带着这些问题,我们联系了现在身在美国犹他大学的前中科院理论物理所副研究员吴咏时教授,经与吴教授连线访谈,我们了解到Parisi在四十多年前来理论物理所担任客座访问教授并与他合作发表这篇论文的来龙去脉。
Nobel Prize Colloquium上的介绍
 
吴咏时在访谈开始时就无限感慨地说:“我的人生际遇可以说与改革开放紧密地联系在一起。” 1965年,北京大学毕业的吴咏时被分配到中科院物理所工作,当了13年的实习研究员。1978年中科院理论物理所成立时,由于主要从事粒子理论研究,吴咏时随物理所十三室一起调入理论物理所工作。在彭桓武、周光召及何祚庥等老一辈科学家的影响和领导下,理论物理所成立之初就十分注重开放交流。当时所里的郝柏林老师和于渌老师在做统计物理、场论和重整化群方面的研究,他们从法国请来了一位年青的同行专家Edouard Brezin。吴咏时参与了部分接待工作,他也因此与Brezin熟络起来(Brezin后来成为法国科学院院长。他一直与理论物理所保持着非常不错的合作关系,并于2005年接受邀请担任理论物理所第一届国际顾问委员会委员)。
 
改革开放以后,国际交流逐渐开展多了起来,除了请进来之外,也有了一些走出去的机会。1978年夏天,理论物理所收到了法国高等科学研究所(IHES,效仿美国普林斯顿高等研究院,由欧洲多国出资成立的专门从事数学和理论物理的研究机构,当时的所长Kuiper教授与中国数学家陈省身先生交情颇深)举办规范场论研讨会的邀请,希望所里能够派一位研究人员参加。经讨论,所里决定由做规范场理论的吴咏时赴法参会。当时我国刚刚打开国门,许多手续的办理还不是特别顺畅,等签证办下来时,研讨会已经结束。无奈之下,理论物理所通过国际长途与法国方面沟通,经双方商议后仍然决定派吴咏时赴法交流。
 
1979年2 - 4月吴咏时来到地处巴黎郊区的IHES访问。消息传到了当时在巴黎高师任职的Brezin那里,他非常高兴地邀请吴咏时去巴黎高师参加那里每周举办的理论物理研讨班活动。恰巧,来自意大利的Parisi也在巴黎高师访问,两人通过Brezin的介绍相互认识,并在多次的讨论中结下了深厚的友谊。除了研究工作上的探讨和交流,Parisi也向吴咏时表达了自己对中国文化非常感兴趣,希望能够有机会去中国访问的愿望。回国后,吴咏时向当时理论物理所所长彭桓武先生、副所长何祚庥先生汇报了这件事情,得到了所里非常快速的响应,立刻通过科学院发邀请给Parisi,邀请他第二年春天来所里访问。非常顺利的,Parisi在1980年春天(4 - 5月)来到中科院理论物理所担任客座访问教授。吴咏时说,这件事情的顺利程度是他始料未及的;可以说,没有改革开放,这几乎是不可能实现的。而理论物理所作为科学院第一批开放所,更是在当时走在了时代的前列。
 
因为之前在法国就有了很好的讨论基础,彼此有了一定的熟悉和了解,在短短两个月的访问期内,Parisi就与吴咏时合作完成了这篇在诺奖Colloquium上被提及的论文。Parisi执笔撰写了英文第一稿,吴咏时将英文定稿翻译为中文稿。说起这段合作的经历,吴咏时用“非常默契和愉快”来形容。他说道,尽管之前就对Parisi在粒子物理、场论和统计物理方面的工作都有一定的了解,在Parisi来访前他特意又花了两周的时间,研读他近期的研究工作。要知道,两位从前不太熟悉的人,要想开始合作起来,一般是相当不容易的:两个人的想法不是很容易合拍,要有相当的默契,交流、合作起来才能比较顺利。那时候与国外科学家也没有什么交流经验,因此,从某种意义上来说,这次合作的顺畅对Parisi和吴咏时来说都是一种非常难得的运气。
 
论文完成后,为了让更多的人读到这篇文章,吴咏时希望在国外期刊发表,并咨询Parisi的意见。Parisi却坚持要发表在中国的学术期刊上,他说,这是他第一次来中国访问,他愿意把文章发表在中国,以作为他访问中国的纪念。当时,国内只有《中国科学》可以发表英文稿件,因此,这篇合作论文就很自然地投稿到《中国科学》。发表的过程也是非常顺利的。那时国内有关领域(复杂系统和统计物理)的一些专家是身处国际前沿的,审稿人应该是对文章的内容颇为认可,因此很快就同意发表了。
 
这篇论文的主要内容是从随机过程的朗之万方程出发,建立量子场论的微扰论展开。该方法可以应用于规范场理论,其独特的优点是无需事先固定规范就能做量子场论的微扰论展开,正确计算规范不变的物理量。文章论及欧氏空间中量子场(特别是量子规范场)系统的涨落驱动其向平衡态的演化。而后者延拓到闵氏时空就得到物理的量子场系统的最低能量的基态。因为量子场论描述基础理论中最为基本的系统,既可用以描写基本粒子物理微观现象,亦可描述凝聚态物质的宏观量子效应,如量子拓扑物态等。所以本文出现后,引起了国际(特别是欧洲)粒子理论学界的重大反响。
 
在谈到这篇文章的重要性时,吴咏时认为:”诺奖的颁奖词强调Parisi在无序复杂系统中的一系列工作中,发现无序和涨落的关系或相互影响。Parisi的许多工作的思路,总结起来可以说,基本是用场论去做统计物理。我和Parisi的这篇文章也是讨论统计物理方法和场论方法的关系问题。但我们的基本思路是用统计物理来做场论,而不是用场论来做统计物理。所以都是讨论场论和统计物理的关系,但是做法和方向实际上是反着的。以前做量子场论有两条思路,就是正则量子化和路径积分量子化,而我们的思路是用统计物理来做量子场论,这是第三种场的量子化的办法。所以Parisi和我的文章开辟了一条新路,就是把量子场论问题看作统计物理的问题来理解量子化和量子涨落,这是一个新的观点,并且有一系列重要的优点。”后来在1982年的国际高能物理会议上,日本著名粒子物理学家南部阳一郎(2008年诺贝尔物理学奖得主)在总结讲演中,把这套方案命名为随机量子化,与正则量子化、路径积分量子化并列。
 
吴咏时还详细介绍了与Parisi的工作特点以及这次合作比较成功的经验。他说道,Parisi在粒子物理、场论和统计物理方面都有非常出色的工作,可以说是一位天才物理学家。Parisi70年代中期在粒子物理方面的工作,是关于部分子分布函数随能量演化的方程,把QCD和部分子模型结合起来。这一工作使得实验上能够直接检验QCD渐近的自由理论,这是把QCD理论和实验现象学结合起来的非常重要工作。此外,Parisi开始用用Monte Carlo方法来做低能QCD的计算模拟比美国Lattice QCD的工作要早1-2年。
 
在统计物理领域,Parisi在70年代末期得到了自旋玻璃模型(SK模型)的严格解(Parisi G. 1979. Infinite number of order parameters for spin-glasses Phys. Rev. Lett. 43, 1754),吴咏时当时就觉得这是一个未来可得诺贝尔奖的工作。这项工作是Parisi最有名的一个理论和计算的工作,也是此次获得诺奖最主要和最直接的原因。这是一个公认的非常困难的理论物理问题,Parisi提出了复本对称破缺的概念,并给出了对应的自由能。得出这个结果十多年之后,才有数学家给出了严格的证明。当时Parisi的这一套计算方法令人感到非常吃惊,也很难理解,里面涉及许多随机性的问题,但他却把这个问题漂亮地解决了。Parisi来访的初期,吴咏时希望能够在自旋玻璃的问题上与Parisi合作继续做一些工作,但Parisi却认为这个工作已经基本上完成了,暂时没有再继续做下去的必要了。于是,吴咏时想到了另外一个比较重要的问题,是关于规范场论中的固定规范问题,这也是杨振宁先生在七十年代几次回国一直在推动的规范场研究中的一个重要问题:从数学或者几何上看,规范场就是所谓的“联络”,而数学或几何上研究联络从来不需要“固定规范”。那物理上量子规范场论的微扰论也应该不需要非得固定规范不可。于是吴咏时就和Parisi在这个问题上开始着手合作研究。当时的理论物理所条件非常艰苦,没有自己的办公室;原先借用动物所的办公场所(四个人合用一间办公室),也退了回去。无奈之下,吴咏时只好隔三岔五地骑车去Parisi入住的友谊宾馆,在宾馆的房间里讨论和交流,就这样在两个月的时间里,及时完成了这篇关于不需固定规范的微扰论的论文。
 
在谈到与Parisi合作的经验和对自己的影响时,吴咏时由衷地感叹到,Parisi是有着非常鲜明的特点的天才物理学家,他在理论和计算机计算方面都有着相当深厚的功力,可以将解析的方法和数值的方法完美的结合起来。他的复本对称性自发破缺的理论,一般很难理解;但他先通过计算机的模拟,得出新基态的能量低,而且熵是正的,这就表明他的想法确实是在正确的道路上。他的这个经验充分证明了将解析的方法和数值的方法相结合的重要性;这是值得理论物理工作者学习的。如果只有理论,没有数值作为支撑理论的依据,那么理论的正确性就很难使人信服,从这个意义上来看,数值计算可以说是理论物理学家自己的实验。吴咏时后来也是吸取了Parisi的经验,在自己的研究工作中,除了理论方面的工作,也十分重视和计算物理学者的合作。他认为,这是物理学未来发展的一个趋势。
 
吴咏时还谈到了Parisi的一些有趣的特点,他作报告从来不用透明片或PPT,只讲黑板,手推公式。Parisi参加学术活动从来都不听完所有报告,只是选择听完几个报告当天就离开。但他待人和蔼,没有架子,喜欢和人交朋友,这也是Parisi让人印象最为深刻的地方。吴咏时特别谈到,Parisi对中国的文化有极大的兴趣。他来中国之前,已经自学了至少半年时间的中文,来中国后能够简单地用中文交流,可见Parisi对中国的感情。他坚持把和吴咏时合作的论文发表在《中国科学》期刊上,确实为《中国科学》大大地打了广告。多年前,吴咏时就不时收到各国学者因为这篇文章问询《中国科学》。现在互联网发达了,这已不是一个问题。吴咏时听说,因为发表论文的科学期刊的影响因子和分区是国内科研绩效(包括提职升级)的主要指标,从而影响了国内年青学者投稿国内科学刊物的积极性。果真如此的话,以Parisi的坚持为典型,应该重视改革评价制度以鼓励国内年青学者投稿,大力促进国内科学杂志的成长和繁荣。
 
Parisi与理论物理所一直保持着联系,包括与郝柏林院士和于渌院士等。2006年,理论物理所成立了卡弗里理论物理交流合作平台,2008年3月Parisi来卡弗里所参加“信息系统的集体动力学”科研项目活动期间,为研究生讲授统计物理系列课程。之后的几年时间里,应理论物理所科研人员邀请,Parisi也曾多次来理论物理所交流访问。
Parisi在中科院理论物理所
 
基础理论研究的重要性往往需要较长的时间才能得到证实和认可,这篇40年前完成的论文在中国的际遇,也是一个很好的例证。
Parisi和吴咏时(在Parisi 60岁生日会上)
 
吴咏时
 
美国犹他大学物理天文系终身教授,校级理论物理学杰出教授。美国物理学会Fellow。长期工作在理论物理(包括粒子物理、凝聚态物理、量子场论、弦论、多体统计、引力论和数学物理)国际研究前沿。主要兴趣在于探讨物理世界的基本规律及其数学(几何、拓扑和代数)结构的研究,近年来特别关注量子(场和多体)理论的拓扑性质及其在拓扑物态、量子信息理论和处理中的应用。曾受邀在多个世界顶尖的理论物理研究中心进行多次讲学和工作。包括美国普林斯顿高等研究院、加州大学圣塔芭芭娜分校Kavli理论物理研究所,法国巴黎高等师范学院理论物理研究所,中国北京清华大学高等研究院等。
 
本文经授权转载自微信公众号“中国科学院理论物理研究所 ”,原题目为《诺奖得主Parisi在中科院理论物理所的一次合作》。



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