“本科生完全有可能做出驚人的科學(xué)成果。他們沒有那么多條條框框的限制,反而膽子更大、想法更多。”論文通訊作者、湖南大學(xué)物理學(xué)教授劉全慧說。
難題于“胡亂計(jì)算”中被攻破
研究微觀情況下受約束的粒子運(yùn)動,就要用到量子力學(xué)。如何把量子力學(xué)建立在彎曲曲面上,一直是量子力學(xué)中的難題。
半個多世紀(jì)以來,人們相信,粒子被限制在彎曲曲面時(shí),量子力學(xué)性質(zhì)的理論描述將受制于算符次序的含糊性。這使得理論研究者只好求助于采取完全不同于狄拉克量子化規(guī)則的其他理論框架。
“但由于狄拉克量子化方法是最基本的量子手段,學(xué)者們爭論了很多年,莫衷一是。”劉全慧告訴記者。
他和學(xué)生一起,深耕十余年,致力于在狄拉克量子化框架內(nèi),摸索出一條不具爭議、沒有含混性的道路,實(shí)現(xiàn)彎曲曲面粒子運(yùn)動的量子化。而這條小路最終被連丁坤和胡樑棟找到。
出乎意料的是,最后的成功竟源于二人的“胡亂猜想和計(jì)算”。連丁坤告訴記者,他負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)彎曲曲面上粒子運(yùn)動的量子化,胡樑棟研究粒子在彎曲曲面上運(yùn)動的統(tǒng)一形式。
量子化問題猶如“癌癥晚期”,他們用盡能想到的所有辦法都無法解決。劉全慧曾在一篇博文中寫道:“曲面上的量子力學(xué)本身就是一個‘邪惡’體系,正常手段根本對付不了。”最初安排這個課題時(shí),他并沒有寄希望于兩個本科生會有所突破,只是讓年輕氣盛的他們“練練身手,玩得越多越雜越好”。
連丁坤仔細(xì)分析了粒子在曲面上運(yùn)動的表現(xiàn),進(jìn)行大膽的猜想、計(jì)算,并與胡樑棟和劉全慧密切討論。正是無數(shù)的嘗試、碰撞和積累讓他有了靈感,從曲面方程出發(fā),最終實(shí)現(xiàn)量子化。
取得突破源于付出更多
這一發(fā)現(xiàn)已是連丁坤和胡樑棟二人在本科期間完成的第二個重大成果。2016年11月,兩人和劉全慧發(fā)現(xiàn)了向心力公式具有普適性。該成果被認(rèn)為“改寫了傳統(tǒng)的向心力定律”。
有人評論他們是“天才”,但熟悉他們的人都知道,所謂“天才”,只是比同齡人多了幾分辛苦、少了幾分娛樂。
2016年1月,劉全慧給大三學(xué)生講完《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理》最后一節(jié)課。走到教學(xué)樓外時(shí),連丁坤追趕了出來,說道:“劉老師,寒假我不回家了。您能不能在研究生辦公室?guī)臀艺覀€座位,我就在那里學(xué)習(xí)?”后來胡樑棟也加入進(jìn)來,劉全慧欣然答應(yīng),并決定“不讓他們在春節(jié)閑著”。
2月15日,大年初八,長沙的街頭寒風(fēng)瑟瑟。當(dāng)人們還在享受新年的歡愉時(shí),在湖南大學(xué)知心樓二樓的一間教室里,兩三個學(xué)生坐在講臺下,一沓公式草稿紙“橫七豎八”地鋪滿了課桌,劉全慧則在黑板前推導(dǎo)著公式。
他們沒有想到,兩個月后,一個改變傳統(tǒng)物理學(xué)定律的成果即將誕生。整個春節(jié)以及開學(xué)后的一個月,師徒三人都“泡”在一起,高強(qiáng)度聯(lián)合“作戰(zhàn)”,成果漸漸“浮出水面”。此外,為研究需要,連丁坤和胡樑棟還到數(shù)學(xué)院蹭課,自修《微分幾何》,最終用微分幾何和哈密頓力學(xué)的語言,完成了論文。
培養(yǎng)人才從“娃娃”抓起
美國紐約市立大學(xué)物理學(xué)教授大衛(wèi)·施梅爾策在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)對連丁坤和胡樑棟的最新成果表示贊賞:“他們解決了一個長期以來存在的問題……證明了利用一些約束條件,用狄拉克括號代替泊松括號……結(jié)果誘導(dǎo)出了幾何勢場,而且依賴于彎曲曲面的曲率。”
荷蘭烏得勒支大學(xué)理論物理研究所教授卡邁恩·奧爾蒂斯也在采訪中表示,通過一個高明的理論方案,他們證明狄拉克量子化能準(zhǔn)確無誤地給出粒子在彎曲曲面的量子力學(xué)性質(zhì)。更為重要的是,他們的研究給出了存在量子幾何勢能的基礎(chǔ)性依據(jù)。除了基礎(chǔ)性之外,這項(xiàng)工作在納米技術(shù)方面也有很重要的應(yīng)用價(jià)值。
如今,連丁坤和胡樑棟已經(jīng)從湖南大學(xué)畢業(yè),正在朝著更高的科研平臺努力。他們的科研歷程讓劉全慧頗有感觸:“英氣有時(shí)比經(jīng)驗(yàn)更重要。”也正因此,培養(yǎng)杰出人才,要從“娃娃”抓起。
時(shí)間回到2016年那個冬日的午后,經(jīng)歷了長時(shí)間的推演,師徒三人從教室里走出來,天空湛藍(lán)。他們“擺拍”了一張合影留作紀(jì)念,照片上連丁坤和胡樑棟目光堅(jiān)定,劉全慧會心一笑。