本文是孫昌璞院士的一篇評述，作者結合學習楊振寧科學思想的體會，並聯系自己在理論物理研究方面的科學實踐（包括在1992-1994年跟隨楊先生對量子開系統、超導相變和冷原子物理方面的探索），對當代理論物理發展趨勢提出一些個人的看法。文章將透過具體例項，闡述為什麼要做“美或有用”的理論物理；為什麼基本物理的理論在一段時間內可以與直接的實驗驗證保持距離？對於後者，文章還從科學方法論 (哲學) 的角度就理論預言與實驗證實的關係進行較為深入的討論。文章還強調了“有用”的理論物理——應用理論物理，指出國家需求驅動的科學研究與自由探索一樣，也會導致基礎物理的重要突破。
本文為作者在楊振寧先生百歲華誕學術研討會上的報告改寫而成。
撰文 | 孫昌璞
來源：物理學報
1 從物理理論到理論物理
物理學是研究物質及運動規律的科學。其研究內容可以概括為兩大方面：1) 在更高的能量標度和更小的時空尺度上，探索物質世界的深層次結構及其演化規律；2) 面對由大量個體組元構成的複雜體系，探索超越個體的、“演生”出來的有序和合作現象。上述兩方面的追求體現了兩種基本的科學觀——還原論(reductionism) 和演生論 (emergence)。
圍繞著“還原論”和“演生論”，物理學形成了不同的學科分支。前者有粒子物理、核物理和原子分子物理等，而後者包含凝聚態物理、等離子體物理和鐳射物理等。物理的理論基礎是“四大力學”，但它們又各自發展出相關的理論，如鐳射理論、固體理論等。作為物理學的分支學科，理論物理常常被質疑：既然物理學不同的學科分支有各自的物理理論，為什麼還需要有理論物理? 理論物理的典型學科特徵是什麼? 關於發展物理理論還是理論物理在我國曾經有過一些學術爭論。
其實，為了基於“還原論”和“演生論”描述物質世界，物理學採取的科學手段是利用實驗進行主動的觀測。它透過建立理論模型或基於哲學思考，提出初步的科學理論假設，然後藉助新的實驗進行判定性檢驗，並用嚴格的數學語言精確、定量地表達其一般的科學規律—物理定律，由此可以進一步預言新的物理效應，並應用到新的領域。物理學研究方法的這些內稟特徵，決定了理論物理學作為一門獨立學科存在的必要性，以及它在物質科學中具有核心的地位。雖然物理學各個學科分支都有自己的理論，但貫穿各個分支有共同的規律，從而有普適共通的理論構成了理論物理學科，因此理論物理具有本質交叉的顯著特徵，它不僅僅是把物理學的各個分支理論集合起來，而是把它們相干地融合成一個理論總體。
2 理論物理多元價值觀基於“美”的統一
物理學不同分支領域的價值觀必定會有差異。基於“還原論”的高能粒子物理需要昂貴的大型科學裝置，其成功需要更長的時間 (如證實Higgs機制用了50 多年)。因此，判斷一個基於“還原論”的物理理論 (如量子場論和絃論) 的“好/壞”，並不能僅僅依據是否能被即時驗證，而必須考量理論的基礎性和預言的深度、廣度。而凝聚態物理等演生論領域貼近日常生活，大多采用相對經濟、易實現的桌面實驗系統，能否有即時的證實有時會成為一個可操作的價值判斷標準。既然理論物理學是這些分支學科理論綜合交叉，判斷一個理論好壞的價值觀自然就是多元化的，而多元化必有一定程度的價值觀衝突，導致價值判斷的困境。
理論物理學價值觀多元化困境會直接影響物理學的和諧發展。那麼是否存在一種價值選擇的共識突破理論物理多元價值衝突的困境呢? 我的答案是，楊振寧先生多次強調的“美”的價值判斷可以作為統一其多元化價值觀更高層次的標準。而愛因斯坦、狄拉克和楊振寧本人的具體科學實踐可以佐證“美”的標準的合理性。因為物理理論之美在於自然物質有結構之美，而描述它的理論框架必有數學之美。因此，“美”能夠統一理論物理多元價值觀的基本理由包含在數學的價值觀當中：大道至簡，“理當則簡，品貴則簡”。這種美不是人造的，是天道自然的基本屬性，亙古有之。
3 理論物理與實驗關係“非常談”
實驗物理學家對“理論”有時會盲目地深信不疑，從而導致實驗資料使用主觀傾向錯誤理論預言的嚴重科學問題。其實，實驗物理學家看到的“理論”預言有可能只是某種“有效理論”的結果，或只是近似簡化模型對實際系統的描述，他們有時可能忘記了近似成立的條件有時會十分苛刻。作者認為，物理學家應當在更深的層次上理解理論和實驗關係及其出現的問題: 1) 有理論上的嚴重誤解——錯把有效模型當實際系統；2) 有理論上的跟風——沒有細緻地考察理論預言成立的條件；3) 實驗上的結論盲從“理論”——過於認為實驗發現重要性依賴“理論”；4) 實驗資料使用不客觀——有取向地處理資料以擬合已有的“理論”。由此看來，談及理論預言的實驗驗證，我們必須追問到底實驗“驗證”了什麼? 一個真實的物理系統，一個實際的實驗，跟理想模型都是有距離的，理論結果到模型給出的預言也是有距離的 (圖5)。很多時候驗證的只是近似化後模型的預言，而非關於真實系統的理論結果。在量子物理模擬的實驗中，此類問題甚多，必須提高警惕。
圖5 證實“理論”實驗的分級(實際物理-模型-實驗的“距離”決定了“實驗證實”工作的好壞) (a)模型預言覆蓋了實際系統的全部物理，實驗正好證實了模型預言；(b)雖然模型預言覆蓋了實際系統理論結果的全部，但實驗只是證實了基於模型預言的一部分；(c)模型預言覆蓋了關於實際系統理論結果的一部分，實驗也只是證實了“模型預言”；(d)模型預言不能覆蓋實際系統物理的全部，實驗也只是符合模型部分不準確預言，證實與否甚至與實際系統無關
一個好的理論-實驗的結合工作，必須是雙盲的、背靠背的，否則的話就會出現互相人為擬合趨同的科學誠信問題，評價實驗驗證理論工作的優劣，可以根據圖5所示的理論-模型-實際物理三者關係分為4 個級次。很明顯，到了第3、4 級很可能就走進了學術誠信的灰色地帶。一些主觀的因素，完全有可能驅使科學家依據第3、4級的“實驗驗證”做出“重大科學結論”。一個好的理論物理成果，要獨立放在那裡，實驗物理學家背靠背獨立地驗證它的預言。一個好的實驗，要開放所有認真測量得到的資料，最好讓不同理論組背靠背地解釋新發現。事實上，當代物理學的重大發現幾乎沒有幾個是理論和實驗直接合作在一起發表的。
毫無疑問，物理學本身是一門基於實驗的科學。既然理論物理是物理學的學科分支，其正確與否最終就必須迴歸到實驗檢驗。然而， 作為一個綜合交叉的核心學科，理論物理發展必須立足於遍歷整個發展過程、足夠多的實驗總和之上、發現共性規律，一時一地的處理個別實驗現象不是理論物理的核心任務。因此，在物理學發展過程中間，有的階段性理論研究，開始可能看不到實驗檢驗的可能，但其進一步拓展和改進卻可以導致重大突破和科學革命，廣義相對論和規範場論是這方面的典型例證。必須強調，雖然理論必須聯絡實際、實驗必須基於理論，但實驗的目的也不只是去證實理論，理論的目的不只是去解釋實驗。實驗應該去發現新現象、新效應和新物質，理論要找到新規律、建立新方法。物理學的發展不應當僅僅追求理論和實驗的短時實現的“結合”。
4 走向“美而有用”的科學研究——“應用理論物理”
文章透過理解楊振寧先生對理論物理發展前景的看法，進一步強調，理論物理未來的發展趨勢可能是“應用理論物理（Applied Theoretical Physics）”：藉助理論物理的思想、模型和數學工具，以應用為目的、研究主要包括人工複雜系統在內的客觀系統，探索其物質-能量、時間-空間和資訊-結構及其相互作用和運動演化規律，從中概括和歸納出具有普遍意義的基本理論，大大拓展傳統理論物理只是關於自然物質系統的探究。
其實，面對當代實驗科學日趨複雜的技術挑戰和巨大經費需求，理論物理對物理學發展必須發揮更大的引領作用，對高新技術的發展方向提供判定性的科學依據；理論物理學面對非自然的人工系統，要適應物質科學從觀測解釋階段進入自主調控的新時代，變自在之物為為我之物。同時還要強調，理論物理學未來將會在對具體系統的實際應用中實現自身創新發展。事實上，近二十年來，在材料、能源乃至生命方面的實驗發現（如生物磁導航、光合作用中的量子效應等），在傳統的理論物理框架下難以得到解釋，新的理論物理創新也迫在眉睫，以此讓相關應用研究跨上一個新的歷史臺階，反過來也提供更多理論物理的引領作用發揮到極致的場所。2021 年諾貝爾物理學獎頒發給作為複雜系統的地球物理和氣候的研究，或多或少代表了這樣一種趨勢。
當然，由於物質世界極為紛繁複雜，理論物理問題的解析求解不足以涵蓋複雜系統的全部特徵，如非微擾和高度非線性。因此，理論物理的一個重要發展趨勢是基礎理論與強大的現代計算手段相結合，使得理論物理預言更加定量化和精密化。計算物理和計算數學因此應運而生，成為連線物理實驗和理論模型必不可少的紐帶。由於應用理論物理面臨的物件複雜而多變，這些計算技術相關的發展，也是應用理論物理應著力倚重的。
最後指出，應用理論物理學在國防安全等國家重大需求上會有更大的用武之地，發揮更大的作用。二戰後美歐開啟了物理學大科學工程發展的新時代，基於大型加速器的重大科學發現也反過來為理論物理學提供廣闊的用武之地。國防安全方面等國家重大需求往往與大科學工程密切聯絡，由此會提出自由探索中不易產生的重要基礎科學問題，國防和國家安全方面的重大需求在對理論物理不斷提出新挑戰的同時，也可能為理論物理研究提供了持續源頭創新的平臺：在實踐應用中，凝練和發掘理論物理能夠發揮關鍵作用的科學問題，在理論的原始創新方面取得重大突破，這方面的研究將成為理論物理發展的一個新趨勢。
作者簡介
孫昌璞，中國科學院院士，發展中國家科學院院士。中國工程物理研究院研究生院院長，北京計算科學研究中心教授。
1984年畢業於東北師大物理系，於南開大學獲博士學位。曾任東北師大教授，中科院理論所研究員。長期從事量子物理、數學物理及量子資訊基礎理論研究，不少工作有長期的學術影響，如q-變形玻色子是領域分支開創性工作，預言的量子臨界動力學不穩定和人工迴圈原子等得到諸多實驗證實，澄清的量子熱力學概念已經被寫入多部專著。近年來，他具體從事有限系統和生命過程中的量子相干效應、複雜系統的可靠性和量子相變動力學等研究工作，並積極探索麵向國家需求的基礎研究模式的創新。
本文經授權轉載自微信公眾號“物理學報”，原題目為《當代理論物理發展趨勢之我見 |《物理學報》觀點和展望》。
