微观世界 高维视角下的“局外人”

石艳美

如果没有麦克斯韦在一个半世纪前建立的电磁理论，今天我们可能还无法享受手机和无线通信带来的生活便利，人与人之间的远距离沟通还需要跨越千山万水；如果没有上世纪初爱因斯坦提出的狭义和广义相对论，GPS导航也就无从谈起，人类将会继续迷失在自然制造的东西南北中；如果没有黑洞理论支持，2016年美国科学家发现的引力波只能说“不知所谓”……

长期以来，人们重视实际价值、现实意义带来的肉眼可观的成果产品，却往往忽略了其基础理论发现、建立时历经的漫长积累。当然，这与基础理论本身的性质是密不可分的。“一直以来，基础理论研究旨在追求自然界中的基本规律，而非具有实际产物的现实效益。认识世界，掌握规律，从而改造生活这是基础理论研究始终不变的宗旨。”兰州大学物理学院教授刘玉孝如是解释。

在理论物理研究领域摸爬滚打多年，刘玉孝深谙个中原委。“短时间内，很难说纯理论研究有什么用途，会带来什么，但从长远来看，当今的科技产品哪一样也离不开它。所以，有一点是毫无疑问的，基础研究必然会成为人类技术发展的源泉和原动力。”

他的话笃定、有力，是对研究本身的信任，也是对自我选择的信服。多年来，他在这万千现象中发现独特的乐趣。在他看来，理论物理如同竞技游戏一般，远观复杂、难解，但细细品茗，真正理解便是另一番滋味。“当用一个简洁的公式表示出一系列繁杂的现象，就会发现其乐无穷。”于他而言，研究始于兴趣，终于魅力。

走进物理理论的“大观园”

超弦理论、额外维、黑洞物理……当这些生僻、晦涩的字眼跃然纸上，相信每一个非专业看客都会对此感到头痛。它们是什么？它们又能做什么？

人类认识自然世界，多数是采用理论去描述。逐古溯今，人们对于最小的基本单元的追求从未止步，从个体到分子、原子，再到现今最小的电子、夸克，这些粒子无不例外被看做点来研究，而引入有长度的弦作为基本粒子，则是在20世纪70、80年代才逐渐出现。

刘玉孝将发展演化娓娓道来。在自然界中，已知的相互作用有4种，即电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用和引力相互作用。其中，前三者已由量子力学和狭义相对论的结合统一，而广义相对论描述的引力理论却一直未被统一进去。

爱因斯坦的后半生一直在寻找这种统一场论，即一个能在单独的包罗万象的数学框架下描写自然界所有力的理论。然而，直至生命消逝他仍未能如愿。其中很重要的一个缘由便是：引力相互作用十分微弱，相比其他三者有着显著的能级差别。研究表明，它和弱电相互作用之间的能标差达到16个数量级。因此，这项被称为规范层次问题的统一，至今仍是物理学界遗留的经典难题之一。

“超弦理论是当前最有希望统一4种相互作用的理论。”刘玉孝对于超弦理论的研究由来已久。他表示，若用一个比喻形容，超弦理论更像是一个野心勃勃的政治家，它的蓝图则囊括了自然界中所有的相互作用，是旨在实现完整的统一。在W弦理论研究方面，他列出一份简略的答卷。“我们主要给出了高自旋W弦理论的旋量场实现，具体来说包括两点，一个是得出构造任意自旋的旋量W（2，s）弦理论的方法，另一个是给出了非临界W弦理论的旋量场实现。”

黑洞作为连接引力理论和量子力学的一个理想场所，是深入研究量子引力理论的不可或缺的基础部分。基于此点，刘玉孝与魏少文教授提出了“黑洞分子”假说，着手探究黑洞的微观结构。“黑洞在历经相变时的微观结构，会发生类似于水分子气液相变的变化。在不同温度的状况下，我们发现黑洞分子之间存在弱的相互吸引作用。这对于深入研究量子引力理论提供了一定的理论基础。”该成果论文于2015年，在物理学顶尖杂志Physical Review Letters（《物理评论快报》）上随之发表。

为学者脚踏实地

1997年，刘玉孝第一次踏进兰州大学的校门，走进让他魂牵梦绕的物理学院。虽是初来乍到，但他对兰州大学物理学院段一士先生却似相识如多年的“老朋友”。这说起来有一人是不得不提的，他就是刘玉孝的高中物理老师罗祥君，也是带领刘玉孝走进物理殿堂的第一人。“高中时很喜欢物理，喜欢研究自然界背后隐藏的规律。而罗老师对物理规律清晰、明了的诠释以及对物理学崇高的热情对我影响很深。他了解兰州大学，十分推崇段一士先生，这跟我后来报考兰州大学有很直接的关系。”

兰州大学历来崇尚自然科学，理论研究氛围也便分外浓郁。据刘玉孝回忆，得益于良好的环境条件，当时能有幸聆听老一辈教授的授课和学术讲座。这些老先生或为上世纪50年代留苏归国，或为北京大学直接调派，在研究上造诣颇深。段一士、钱伯初、汪志诚、高崇伊、汪映海等先生均在其列，特别是段一士先生的讲座，若去晚了就只剩门边可以挤了。“我印象特别深刻，最初我并没有涉及到广义相对论，对这方面的理解很是肤浅。后来听完段先生的一堂讲解，瞬间豁然开朗，发现引力理论原来没有多么神秘，而数学结构和物理图像也可以那么清晰和简洁。”在这里，刘玉孝像久旱逢甘霖的禾苗，尽情汲取着知识的养分。

凭借对物理的赤诚、勤勉，刘玉孝于2001年被保送研究生至本校理论物理专业，师从赵书城教授。赵书城教授嚴格的态度是一贯的，刘玉孝坦言至今还记得自己被挂黑板10分钟，面对台下一众同学的羞愧。但令他更为印象深刻的是老师事后留下的一句话“基础不扎实一切都是虚的”。犹如当头棒喝，从此一份踏实也就深深地镶入刘玉孝的科研人生当中。之后，在导师的悉心指导下，他不负所望，在国际知名学术刊物《高能物理》（Journal of High Energy Physics）和《核物理B》（Nuclear Physics B）等杂志上发表10篇SCI学术论文，影响因子总和达到21。先后荣获甘肃省第四届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛三等奖、校优秀科研成果奖三等奖、宝钢优秀学生奖等诸多荣誉。

博士期间，在导师段一士先生的建议下，刘玉孝的理论研究逐渐开散出新的枝杈。“当时段先生找到我，鼓励我不要放弃W弦理论方向的工作，并建议我同时考虑新的方向。他给我写了一个公式，告诉我这是额外维方面的，可以慢慢开展相关的研究。这个公式一直影响我到现在，而额外维理论逐渐成为我的主要研究方向。”

为了方便记者进一步理解，刘玉孝细致地做出一番讲解。“随着事物的演化，人们对空间有了逐步的认识。通常而言，我们将生存空间看成三维空间，加之时间这一维度，整体被称为四维时空。但为了解释更多的规律，理论物理学家预言现实时空可能还存在人类看不到的维度，只是我们身在其中认识不到其原理。这种维度也就被称为‘额外维。”

2006年，刘玉孝在摘得第三届中国青少年科技创新奖的同时，面临着博士毕业，其成果论文也应运而生——“W弦的新发展和引力规范理论与额外维新物理效应”。凭借此论文，他获得2008年全国优秀博士学位论文提名论文奖。同年，与奖项并肩而来的还有教育部“新世纪优秀人才支持计划”入选名额以及兰州大学教授的聘书。那年刘玉孝31岁，已成为全校最年轻的教授。

为师者继往开来

“不以物喜，不以己悲”，刘玉孝自始至终瞄准的是科研这方天地。从2006年留校工作开始，他便马不停蹄地展开项目研究。基于上述曾提到的规范层次问题，他利用高维时空引力与膜世界理论研究，建立出一系列高阶引力理论中的膜世界模型，并提出新的费米子的局域化机制。而有关额外维与膜世界的项目推进方面，他也斩获连连：提出了一个新的膜世界模型，克服了Randall-Sundrum模型的缺陷，并预言了新的TeV能标物理效应；发现了膜世界上各种场的Kaluza-Klein共振态。

“膜世界最简单的理解就是运用降维的思想来解释，我们处在三维的空间，二维世界就被称为膜世界。同理，在假设高维时空存在的状况下，我们生活的三维空间也就变成一个膜世界。”刘玉孝说道。

针对膜世界不能实现场论中的重整化问题，刘玉孝扩展引力理论，将扩展理论中的膜世界进行新的思考。膜世界是否稳定？粒子是否存在于膜上？额外维如何检验？

“作为一个例子，我们考虑f（R）引力理论，这是广义相对论的一个典型扩展。扩展项f（R）的引入，导致需要求解四阶微分方程组。而四阶微分方程组没有统一的求解方法，这是众所周知的。后来，我们通过渐近行为的分析，利用f（R）函数的自由度，找到方程中导数阶最高的函数A的具体表达式，由此出发，获得了其他函数的解析解。值得一提的是，解析解的获得，为我们分析f（R）引力膜世界是否合理提供了基础。”

在2015年的“优秀青年科学基金”项目答辩中，刘玉孝展示着他的团队几年来的心血结晶。基于一种新方法的提出，他们获得扩展引力理论膜世界的解析解，证明了系统的稳定；而局域化机制的运用，则解决了标准模型中各种粒子在膜上的存在性问题；不仅如此，他们还大胆预言膜世界上存在超越标准模型的共振态粒子，并提供出可能的额外维实验检验途径。

即便放眼世界，刘玉孝和他的团队创造性的研究价值也是不容忽视的。引力专家H.Lu教授在2012年发表的JHEP文章中，采用刘玉孝团队的创新研究方法，并明确指出其团队首次给出的f（R）引力膜世界的涨落分析。2014年，膜世界专家 Almeida教授，则在PLB的文章中对他们的工作多处评述。不但将其发展的关于局域化的方法看做一个立足点，还通过论述后明确表示该方法是研究费米子的局域化问题的唯一选择。

如今，作为兰州大学的教授、博士生导师，刘玉孝左手科研、右手教学，忙得不亦乐乎。他表示，将继续进行高维时空理论与粒子物理方面的工作，探索额外维在加速器和短距离引力实验中的新物理效应。同时，他也会跟进国际新领域发展，顺应国家需要，积极融入引力波相关研究工作当中；加入我国空间引力波探测计划，用已有的相关基础理论，为引力波的长期研究开展提供切实有用的支撑动力。

教学方面，刘玉孝秉承着分而治之的原则。本科生阶段，他强调基本素质的培养，在学生系统、全面地學习物理学知识之际，提倡按需分配。“如果是以后打算继续深造，深入学习理论知识就是首要的，但若打算毕业后直接到社会服务，那么在掌握基本知识和方法的同时，还应该养成一种处理问题的思维。”对于研究生教育，刘玉孝则继承了段一士先生的一贯作风，即用最快的时间建立一个最小的知识体系。“研究生在基本知识之外，需要更强的自学能力，要能根据自己的科研方向确定所需要的最小知识体系，而不是把所有的知识都笼统地学一遍。要做到学而求精，尽早规划，摸清脉路，灵活应用所学知识，同时兼具创新意识。”

教学与科研结合，教学内容为科研工作提供基础，科研工作将教学内容的理解加深、加固。贴近前沿，把握发展，刘玉孝在科研与教学相互促进的过程中跨步前行。