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杜祥琬院士:中国如何加入国际纯粹与应用物理学联合会?

本文是《计算物理》期刊编辑部与原中国工程院副院长、中国工程院院士杜祥琬的一次访谈。访谈从38年前杜祥琬发表在中国第一本计算物理领域期刊,也是全球最早的四本计算物理专业期刊之一的《计算物理》上的一篇文章谈起,分享了他发现非线性中子输运方程、中国1984年10月加入国际物理学界最高组织IUPAP,以及IUPAP成立计算物理专业委员会这三件事背后鲜为人知的故事。谈话中,杜祥琬院士还分享了他对于理论物理、实验物理以及计算物理相互关系的认识,对于中国计算物理学科的发源地——中国工程物理研究院北京应用物理与计算数学研究所计算物理学科发展建设、以及《计算物理》期刊发展的殷切期待。爱因斯坦说过,“一切伟大的科学成就都始于直觉的知识。”这期访谈启发我们,即使在发展比较成熟的领域,老树开新花也是常见的。在科学研究中,不能盲目跟随,不要被过去的经验所束缚,或是迷信权威,应当保持独立思考的能力,重视科研直觉的价值。

 

撰文 | 刘洁(北京应用物理与计算数学研究所)、黄烁(北京应用物理与计算数学研究所)、崔磊磊(中国工程物理研究院战略技术装备发展中心)

自1984年创刊起,《计算物理》就承载着推动中国计算物理及相关学科基础创新研究之重任。38年来,历届编委会和几代编辑人辛勤耕耘,《计算物理》始终坚守“传播计算物理领域前沿成果、促进计算物理学术成果交流、推动计算物理学科发展”的办刊宗旨,为我国计算物理以及相关学科的创新发展中发挥了重要作用。

最近,应主编江松院士的邀请,杜祥琬院士接受了《计算物理》的独家专题访谈。访谈中,杜祥琬从38年前在《计算物理》上发表的一篇论文谈起,讲述了三个鲜为人知的故事。这里,《计算物理》编辑部特将这三个“神秘”的故事整理成文,以飨广大读者。

故事一:

38年前《计算物理》上的一篇论文

应用研究中始料未及的问题,能够推动基础学科的发展。

在2021年9月18日举行的第十三届创新中国论坛上,中国工程院原副院长杜祥琬院士以《在应用研究中感受基础研究》为题,讲了老周(周光召)和老于(于敏)的故事。报告中,除了两弹元勋们的“大故事”以外,他还讲述了一个“小故事”,这个故事与他38年前发表在《计算物理》上的一篇文章紧密相关。

故事缘起于一封信。最近,杜祥琬院士收到了他的第一位博士研究生李彬(现清华大学教授,博导)的一封信,并随信转寄了1984年发表在《计算物理》上题为《非线性中子输运问题的一个解法》的论文。信中,李彬也讲了一个故事:清华大学工程物理系一位研究中子物理的老师在指导学生时,拿着这篇文章,对他的学生说:“搞中子物理,就要从这篇文章入手。先把这篇文章吃透,再从这里介入中子物理学。”杜祥琬院士得知这个故事后,向李彬表达了谢意,也感谢清华大学工程物理系的那位老师。

杜祥琬接着说:“这篇文章的主要内容是分析中子输运方程的非线性问题。在此之前的相关研究中,因为原子核的密度比中子大很多,大家也就都认为著名的‘中子输运方程’一定是线性的。然而,在实际工程中,我们发现在聚变反应很剧烈的地方,可能会出现中子密度比核密度还要大的情况。此时,中子之间的碰撞就不能不考虑,线性的中子输运方程就不适用了。于是,我们提出了‘非线性’中子输运方程的概念。在此之前,‘非线性’的提法是从未有过的。1984年《计算物理》上的这篇论文,代表中国科学家率先在国际上提出了非线性中子输运方程及其解法。”

当然,这篇论文只是写了一个解法,杜祥琬希望科学家们能不断突破,找出更多新的解法。接下来,杜祥琬又回忆了当年促使这一创新研究产生的情景:

“当时,我们在开展有关聚变的研究。具体工作就是看纸带(作者注:看纸带可是当年的神功,现已几近失传!在看纸带的过程中,科学家们脑补数值模拟的图像来分析纸带上所记录的计算数据)。氘和氚之间的聚变反应产生中子并释放17.6MeV的能量。而一般介质里面,原子核的密度要比中子的密度大得多,所以中子与核子的碰撞是主要的,这就是当时的中子输运方程所描述的情况。”

“然而在接下来十几个月的工作中,我们却从整体上发现,在聚变反应很剧烈的反应区内,中子的密度可能大于核子的密度,中子跟核子可以碰撞,中子跟中子也会碰撞。如果中子输运不考虑中子之间的碰撞,只考虑与核子的碰撞,则是线性输运方程的形式,线性方程中,每一项里都是一个中子通量跟一个核反应(吸收、散射或转移)的截面。如果要考虑中子与中子的碰撞,需要给线性输运方程加上中子碰撞项,这样一来就有两个中子通量,中子输运方程就不再是线性的,就得到了那篇论文中的基本方程。

接下来就是非线性方程的求解了。求解时,一个比较容易想到的方法就是采用微扰方法,把非线性方程化成一个线性方程组。这样就提出一个逐次碰撞展开法:将没有中子碰撞的,有一次碰撞,有两次碰撞的……分别加起来,可以得到所有的中子。论文中介绍了n-n逐次碰撞展开法,并把非线性中子输运方程化为耦合的线性方程组求解,这样既可以‘方便利用线性中子输运方程解法和程序的框架’,同时还可以‘明晰地给出非线性项的贡献’,研究近似认为‘n-n碰撞产生的中子密度,在一次近似下与源中子发射率的平方成正比’。论文的最后还给出了数值模拟的结果,表明:‘n-n碰撞产生了系统中原来没有考虑的超高能中子’,‘对氘氚聚变靶所作的数值计算证实了上述结论’。”

“后来在与美国专家交流的时候了解到他们只是考虑了线性输运。当得知我们考虑了非线性中子输运方程时,美国专家觉得这很新奇。”

至于当时为什么选择将这一突破性结果在《计算物理》发表,杜祥琬则表示这个想法很自然:“首先,这是一个物理问题,也是需要用计算来解决的问题,又是在计算的纸带中发现的问题,解决的过程又求助于计算机把它化成一个线性方程组。这是一个非常典型的计算物理问题,我们很自然就选择了将这篇文章投到《计算物理》发表。”(经查,《非线性中子输运问题的一个解法》一文最近的引用是2018年,至今仍在相关的研究中广泛应用。)

 

故事二:

由1984年想到的另一个里程碑式的故事

当谈到《计算物理》是1984年创刊时,杜祥琬想起来那年发生的另一个里程碑式的故事。故事从国际上物理学界的最高组织——国际纯粹与应用物理学联合会(International Union of Pure and Applied Physics,以下简称为‘IUPAP’)说起。这是一个国际性的非政府和非营利性科学组织,于1922年创建于比利时布鲁塞尔,是国际物理学界规模最大的学术性团体,创建之初有13个成员国。

1931年,法国物理学家朗之万等受IUPAP委托来华考察。在北平物理学界人士召开的欢迎会上,他力主中国建立物理学会。经过物理学界有识之士共同努力,1932年8月,在清华大学科学馆召开了中国物理学会成立大会暨第一届年会。次年1月,IUPAP接纳中国物理学会为会员。

新中国成立以后,中国物理学会在IUPAP的席位一直由中国台湾方面代表。中国物理学应该恢复在IUPAP的席位,这个问题是很清楚的。但由于种种历史原因,重返IUPAP一事被搁置,直到1984年,“加入IUPAP”才被时任中国科学院副院长的周光召重新提上议程。那接下来的问题是:如何加入IUPAP?

李政道得知中国在寻求加入IUPAP就主动来帮忙。因为此事涉及到台湾,而当时台北中央研究院院长是吴大猷,他既是李政道的老师,也是周光召的老师。李政道就负责沟通台湾中央研究院和大陆的中国物理学会。在他的越洋协调下,77岁高龄的吴大猷院长委任台湾清华大学理学院院长沈君山教授作为台湾方面代表,周光召代表大陆方面,一同协商实施方案。根据国际惯例,因为IUPAP不是政府组织,台湾方面也还可以存在,经双方商议达成的方案是:中国物理学会以“The Chinese Physical Society”之名加入IUPAP,中国台湾地区物理学会以“The Physical Society located in Taipei(位于中国台北的物理学会)”的名义保留在IUPAP内。这是一个全新的模式,一经提出便得到了双方的认可和IUPAP的接受。日后也为许多国际非政府组织所采用。

同年8月,中国物理学会组织代表团前往意大利里雅斯特出席第18届IUPAP代表大会,中国物理学会代表团团长周光召当选为IUPAP副主席,官方代表团团员分别是中科院物理所所长杨国帧、北大物理系赵凯华教授和杜祥琬。。这是改革开放以后杜祥琬第一次出国,是跟老周出去的,也是见证历史时刻的一次出访。(作者注:在中国物理学会的官网上,“中国物理学会于1984年10月正式加入IUPAP。”简单的一句话背后有多少鲜为人知的故事,又浓缩了多少中国物理学人的探索与追求。)

 

故事三:IUPAP的第21专业委员会

——计算物理专业委员会的创立

“基础研究是科技创新的源头,也是科技强国建设的根基之一。一项科学发现能开辟一个颠覆性应用研究领域,基础学科的水平是应用研究的灵魂。科技强国的一个标志——基于厚重的基础研究的科学发现能力。”

——杜祥琬在第十三届创新中国论坛上的讲话

第三个故事和前面两个故事都有关系。在第一个故事发生前的一段时期,因工作需要,时任九所所长的周光召和于敏非常重视中子物理学这一核科学工程的中心学科,决定重建中子物理研究室。此前婉拒了出任副所长的杜祥琬再次被委以重任,开始了中子物理研究室的全面重建工作。这是一项繁重复杂且专业性很强的工作。不过,中子物理研究应该包括哪几个方面,成立哪几个研究组,杜祥琬早已了然于胸,这是因为杜祥琬本身就从事中子物理研究,对中子输运方程的兴趣就是从这里开始的。 

理论上,中子输运方程可以比较精确地描述中子在核反应中的运动和分部。但是,求解方程还需要一些具体条件:1)描述中子与核相互作用几率的中子参数(包括中子反应截面、次级中子能量分布和角度分布);2)系统的几何形状和尺寸;3)系统中各级核材料的配置和密度分布等等。有了这些条件问题,原则上可以求解,但实际求解仍是非常困难的。而中子物理研究室成立以后,杜祥琬带领中子物理研究室开展了中子跟核相互作用的研究工作,各个组的工作要么是计算方法,要么就是中子参数。《非线性中子输运问题的一个解法》便是在解决实际困难中的一个创新方案。

“所以谈到计算物理的过去与现在,咱们可以说在计算物理方面是走在前头的。因为在那个时候,国家一有新的计算机,就给咱们。所以我们很多问题要通过计算来做物理判断,很多物理问题又不是脑子想想或者用手算算就能知道结果的,这种情况就要求助于计算机。所以计算物理就是在计算与物理相互帮助当中成长起来的,我们对计算物理的体会也就比较深刻:计算是为了物理,物理又促进了计算,慢慢越来越融合,也越来越发达。这样一来就又对物理学产生了影响。”

“在历史上,物理学从实验科学发展起来,到了现代物理学,一直是实验物理加理论物理。直到后来人们开始认识到还出现了一个计算物理。这个计算物理还不能算是理论物理,因为它不是从理论上来解决一些物理问题,而是通过计算在计算机上做“实验”;但这种“实验”又不是实验室的实验,所以在物理学领域,除了实验物理、理论物理,逐渐地有了计算物理这个概念。发展至今几乎所有物理学的主要分支都能在计算物理学的应用中找到一席之地。计算物理已成为物理学中与理论物理和实验物理联系紧密又相对独立的第三大分支。

“老于他们很有战略眼光,在老于、老邓的积极推动下,《计算物理》在1984年就创刊了。那个时候,国际上IUPAP已经有20个专业委员会,但是作为国际物理联合会,当时还没有设立计算物理分委员会。”

故事二讲了1984年中国物理学会恢复了在IUPAP的席位。到了1993年,在日本奈良召开的第21届IUPAP代表大会上,由杨国桢、赵凯华和杜祥琬组成的代表团再次出席会议。在那次代表大会上,杜祥琬建议IUPAP成立第21个专业委员会——计算物理专业委员会。这项提议当即得到捷克代表的支持,于是大会决定成立一个工作组来酝酿此项建议,向IUPAP提出成立专业委员会的方案。因此杜祥琬作为建议者之一,与工作组一起参加了筹备工作,并当选第21专业委员会——计算物理专业委员会的首届委员。这就是计算物理进入IUPAP的故事。

随后,杜祥琬又谈及了他对《计算物理》的关注与未来发展的建议。自1984年创刊至今,依托北京应用物理与计算数学研究所的学术力量,《计算物理》做了很好的工作,发挥了重要的作用。杜祥琬说:“我们研究所的特点就是计算物理,所里专门设立计算物理国防重点实验室,这些年还有很多年轻人才的成长。计算物理在持续发展,研究领域也随之不断加深、开拓,因为物理在发展,计算机技术也在日新月异地发展。计算物理已有了几十年的历史,但它又是一个比较新的科学方向,充满了创新和活力,在科学研究中,也发挥了越来越重要的作用,青年一代在该领域会大有可为。《计算物理》期刊也会大有作为的。”

最后,杜祥琬院士欣然提笔,写下了对《计算物理》的深深祝福:为推动物理科学和计算技术的创新发展与深度融合作出更大贡献!
 

杜祥琬简介:杜祥琬,应用物理、强激光技术和能源战略专家。1964年毕业于苏联莫斯科工程物理学院,1997年当选为中国工程院院士,2002年当选中国工程院副院长,2006年当选为俄罗斯国家工程院外籍院士。曾主持我国核试验诊断理论和核武器中子学的精确化研究;曾任国家863计划激光专家组首席科学家,是我国新型强激光研究的开创者之一。现任国家能源专家咨询委员会副主任,国家气候变化专家委员会顾问;获国家科技进步特等奖一项、一等奖一项、二等奖两项,部委级一、二等奖十多项。2000年获何梁何利科技进步奖。

《计算物理》期刊简介:《计算物理》(Chinese Journal of Computational Physics)是由中国科学技术协会主管,中国核学会主办,北京应用物理与计算数学研究所承办的计算物理学科中文学术期刊,现任主编为中国科学院院士江松。《计算物理》创刊于1984年,由共和国勋章获得者、中国科学院院士于敏主持申请创办,经时任副院长两弹元勋邓稼先批准而创办,是国内最早的计算物理学科专业刊物,也是全球最早的四本计算物理领域刊物之一。

《计算物理》期刊作为“广大计算物理科学工作者的一个共同的科学园地”,在物理学相关领域内,凡有关物理建模和计算方法研究,或应用高性能计算机获得计算结果的工作,均属本刊收稿范围。

本文原文发表于《计算物理》2022年第1期,原标题《杜祥琬院士访谈录:从38年前《计算物理》上的一篇论文谈起》,经作者修订刊发于《返朴》。

 



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