何為物理之美，清華教授這樣說

宇宙籠罩于迷霧之中，

人類文明尋到了名為科學的鑰匙，

撥開雲霧，無畏前行。

簡潔的物理學方程式是造物者的詩篇，

物理學家是理性的注釋者。

他們用純粹而浪漫的語言，

帶領探索者們，

看到時間的形狀，

摸索萬物的軌迹，

漫步于寥廓的星河之中。

科學打開了人類的認知之門。從古希臘時代泰勒斯仰觀星空，到如今理論與實驗的百花齊放；從原子的精細結構，到宇宙的形成演化論，物理學的發展一直不斷推動着人類對自然的認識和社會的進步。

在清華物理系，有一群走在物理研究前沿的人，他們或是埋首于紙堆中窺見公式精妙，或是兢兢業業于實驗室内捕捉激動人心的信号。他們為何與物理結緣？在他們眼中，物理又閃爍着怎樣的吸引人的光芒呢？

我們采訪了十一位物理系老師，聽聽他們緣何投身物理。

王青

量子場論和基本粒子理論

“

物理最吸引人的地方，是它背後有一個基本的規律。

”

就是現在馬斯克喜歡說的“第一性原理”。實際上不止物理，很多雜亂無章的事情背後都有一個基本的原理，它往往是非常簡潔的。從這個簡潔的原理出發，就可以逐漸演繹出所有。這一點會令人覺得非常震撼，也非常神奇。而且這種簡潔，天然就是有美感的。

我們做基本粒子的很多人都支持還原論。還原論有兩類，一類是說任何一個系統背後都有一個基本的原理，從原理就可以演繹出來所有；另一類更淺一些，是說大的東西是由小的組成的，無限可分的。所以做理論物理的人，對于任何一個系統，都要去追求它背後基本的那個東西。

而對這個基本的東西也有兩種不同的理解。一種是像亞裡士多德那樣，認為第一性原理有着至高無上的地位，甚至是充滿神性的， “神性無所不在，就在那自然之中。”我們沒有辦法對第一性原理再追問為什麼，因為它已經是第一性原理了。另一種像楊振甯先生那樣，認為這麼優美的第一性原理，一定是由一個超自然的造物主創造的。所以某些圈外的人認為，他們信宗教、信神之類的。楊先生倒不否認這個，但是他說這個造物主和宗教裡面拟人化的神是不一樣的，而是說這個基本的原理這麼神奇，如果沒有一個超自然的力量，這是很不可理解的。因為人已經能夠理解到有這麼一個原理，所以總是覺得說我們還應該能夠更進一步理解，那更進一步理解就是有一個造物主。

哔哩哔哩楊振甯院士：世界存在造物主，整個世界的結構不是偶然的小程序

所以我覺得理論物理的美，就是自然界本身的美。如果真的有一個造物主，它有能力去控制基本原則，在一個美的原則和一個醜的原則中選擇，那它一定會選擇美的。因為我們已經賦予了它最高層次的智慧，如果選了醜的，那顯然和我們賦予它的性質不符。

鮮于中之

粒子物理與宇宙學理論

從宇宙大爆炸一直到現在，一百多億年這麼長的時間，都可以用數學來描述清楚，我覺得這個是最神奇的地方。

楊碩

拓撲量子态

物理是描述自然界的最基本的一個原理。我們可以通過物理學的學習上知天文，下知地理，對很多事情都可以有一個比較科學的認識。物理學确實是可以推動這個世界的進步的，相當于是創造了真正的生産力。真正可以改善人民生活的就是最基本的科技發展，這是跟物理非常相關的。現在的很多進展，或多或少都會用到物理的基本原理，所以這也是學物理比較自豪的一點，就是感覺比其他學科更有助于人類進步。

宋燦立

高溫超導

“

物理最吸引人的地方，就是探索未知。

”

物理學還有很多未知值得去探索，比如高溫超導機理，是《Science》評出的尚未被解決和最重要的100個科學問題之一。這也是我們課題組目前關注高溫超導薄膜材料原子尺度制備和探究的重要原因。

張金松

低維材料

科學的本質是探索未知，物理學更是從根本上、從原理上去探索新的物理機制，是從0到1的一種突破。關于物理學中的美，做顯微學的老師會關注微觀狀态和形式，我們更關注宏觀的輸運特性。就是說，我們不去看單個原子是什麼狀态，而是去研究樣品的宏觀特性，比如給薄膜通電流看它的電學響應。電學輸運最美的地方可能就是量子化平台了。一般來說，對于電阻，我們可以在買到任意阻值的電阻，但是在具有一維手性邊緣态的體系中，我們測量邊緣态的霍爾電阻，就是一個量子化的數值，是普朗克常數除以電子電荷量的平方（h/e^2）。這兩個常數看起來沒有任何關聯，但得到的量綱卻是電阻的量綱，而這個阻值我們可以在樣品中精确測到。

量子反常霍爾效應中的量子化霍爾電阻平台

劉東

理論量子物理

物理之美是我們可以通過觀察、實驗，理解物理學的基本原理，然後探索新的知識。我們做理論可以和實驗合作，觀察他們所得到的實驗現象，發現我們相應的理解，到底是不是自洽的，是不是正确的。如果發現實驗中一些特别奇妙的現象，就會有動力去解決它，去驗證它。

而且，物理其實還可以幫助我們去解決一些相應的工程問題，比方說在16世紀、17世紀，人們在找永動機。永動機如果找出來，我們沒有能量就可以運動起來。雖然說永動機沒有找到，但是我們就催生了熱力學第二定理的這種發現。再比方說現在，我們這個領域裡邊有個非常火的概念叫量子計算，到底量子計算機能不能做出來呢？有些人認為它可能做不出來，有些人認為它可以做出來，但是我認為這個東西是值得去做的。如果能做出來，我們可以改變世界，但是如果它做不出來，我們希望能夠從原理上理解它為什麼做不出來，它會不會相當于是四五百年前的永動機一樣。那麼它如果是做不出來，我相信肯定會帶來新的原理性的這種突破。

李渭

低維量子材料

我想物理研究者的欣喜大約都可以被歸納在兩方面，一方面是“預想成真”的成就感，另一方面是科學研究中的“意外之喜”。

關于“預想成真”，也就是所謂的Eureka時刻。是指在有一定知識的積累下，比如經過博士、博士後期間的不斷學習，可以設計一些實驗、預言一些可能的材料體系，在付出了很多努力和失敗後，終于得到了預想的結果，這些結果可大可小，在完成的那一刻的滿足感是無以倫比的，帶來的正反饋也是巨大的。有意思的是，我所知道的很多人的這些時刻往往是某個甯靜的深夜，或是某個黎明時分。或許這也是天道酬勤被廣泛提及的原因，又或者是别人都睡了，儀器噪音比較低。一個例子是我們2019年發現的一個可以承載馬約拉納零能模的新材料，看到那個材料的結構後，我就堅信在它的磁通渦旋中心可以找到馬約拉納零能模。但尋找的過程卻異常困難，幸虧我有一個非常有天賦的學生——袁永浩，他的理論功底、實驗技能以及科研的韌勁都很出色，這也使得我們在不斷的失敗後，依然能夠信心滿滿的不斷嘗試。我和他至今都記得在大量的數據中找到零能模的蛛絲馬迹，捅破那層窗戶紙後的喜悅。

關于科研中的“意外之喜”，是指在追尋預設的目标時，有了新的預料之外的發現。薛其坤老師在我還是學生時經常對我說，有天賦的研究者，往往能把一棵小樹苗做成參天大樹，生出無數的枝蔓。在這方面，我獨立從事科研的時間還比較短，還需要繼續積累。但我想，這種意外之喜往往是颠覆性的大發現，科學史上很多大的發現往往是這樣産生的，希望大家也能遇到。

甯傳剛

原子分子光物理

我跟我的學生經常說，我們做實驗有的時候也很有趣，就像打遊戲一樣，你在操控各種參數，然後去調控這裡面的結果。有的時候它老也打通關不了是吧？某一天偶然試了一下，一個東西，突然就出現一個以前從來沒有想到的現象。這是實驗過程中出現的一些東西。然後反過來，你要搞清楚，它是怎麼回事，像破案子一樣，就是你去理解它，最終把這物理搞清楚。這種反正很有意思。

薛平

原子分子光物理

物理的美體現在不同的層次上。

第一個是大的宏觀的層次上。物理是人類探索自然的一個最重要的學科，所以它讓你能夠持續地深入了解大自然的變化及其内在規律，這個過程當然是無窮無盡的。這是我覺得體現在大的宏觀層次上的物理的美。

第二個層次物理的美，其實還在體現在很多小的專業領域裡面。每個同學可能都會在一個小的領域或者一個特定的研究方向，有些新的發現，不斷積累研究成果，然後在相關方面的行業工作取得成功，最後可以講一個很好的人生故事。

在我們追求物理的終極目标的科研道路上，可能一直走不到盡頭。但是前進的路上，兩邊有很多的風景很美，值得欣賞的。做物理，當然不僅限于物理，其實做任何科學研究，都是一種探索過程。就像你去郊遊一樣，你找到一個地方，你要有興趣去看看周邊的景色，去發掘一下，也許就能找到很多的讓你驚奇的地方。那麼研究物理或者說科學研究可能最美的還是在這個過程中。這是我覺得要做好科研的一個比較好的狀态。因為你任何一個成果都是經過自己努力獲得的，你會覺得值得珍惜，會覺得收獲沉甸甸的，内心也就很快樂。

當然，感受到物理的美之前，一定是經曆過痛苦的過程才會收獲快樂。人不可能一直快樂，如果快樂變成常态了，你就沒有感覺了。所以每當你感到痛苦的時候，意味着後面可能就有快樂的時光在等着你。

楊樂仙

量子材料新奇物性

“

物理最吸引人的，就是那種有秩序的感覺。

”

物理吸引人的就是它能夠給出一個相對來說比較确定性的答案，因為人總是會産生各種各樣的問題。搞數學、搞物理的人能夠給出一個确定性的答案，像我們這樣有點強迫症的人是會比較享受這個。而像研究社會學、經濟學，有些問題不是很确定，比如說研究股市或者研究經濟學，沒有辦法确定性地預言它的行為。但我們的物理不一樣，隻要計算能力足夠強，給你一個材料，哈密頓量寫得足夠精确，解哈密頓量的能力足夠強，那後面的物理行為或者它的性質，我們基本上能夠做很精确的預言，這個是讓我們這種理工男會比較喜歡，就是那種有秩序的感覺。

葉志鴻

中高能實驗核物理

物理裡面最吸引人的地方，我個人認為是實證邏輯，就是什麼樣的問題，怎麼去分析，怎麼通過複雜的實驗數據，就是你看到的那些電子信号，最終一步一步地去反推到微觀世界裡面，我們肉眼看不到，甚至實驗也觀測不到的粒子。這個過程我認為是非常美的一個過程，就是如何從複雜現象裡面總結出邏輯性最強的一個理論，又是最簡潔的。世界是豐富多彩的，但背後的基本原理應該是簡單的，我認為去探索這個原理的過程，本身就是很美好的。

結語

物理學是有色彩的學科，物理學家不僅是理性的诠釋者，更是感性的表達者，他們用自己的方式表達對科學的審美态度。對于簡單而又和諧的自然秩序的感知，對于宇宙未知命運的永不終止的渴求，是他們投身物理的初心。

感謝清華大學物理系的老師們接受采訪

采訪｜安子訸蔡暢 程強軍 程陽 馮睿哲 李昂 林起源 李相潔 雒佳欣 蘇鉑烨 孫澤洲王笑晗 王詠薇 姚俊傑 張耀鵬 趙思逸 鄭瑩 朱群

文字｜蘇鉑烨 王笑晗 鄭瑩

審核｜李相潔蘇鉑烨

編輯｜明志 風遙

責編｜鏽塵 齊齊 湖舟 勇舟