在杨先生的指导下“换跑道”：加速器物理学赛先生

选择毕生的事业需要经历几重根本的思考：在抉择之前获得指引与洞见；深切地了解自己的兴趣所在；对自身能力抱有清醒的自信；具备迈出步伐的足够勇气；最重要的，甘愿为之投入一生不懈的努力。

图源：Unsplash / Artturi Jalli

学习物理是一项值得终身投入的追求。然而，选择学习方向和有效的学习方法，往往因时、因地、因人而异，并无一条普适的路径可循，更不能跟随潮流，而须在一边学习一边探索中构建。基于在中美两地多年求学、研究与教学的经历，我将对个人学习的过程进行回顾与探讨，坦诚分享一些实践中的反思。希望这些从实践中得来的浅见，能为同行者提供一些参照以及“学物理，自己来”的启发。

1. 求学与“换跑道”的经历

在我的求学过程中，有一段比较特殊的经历，就是我在研究生期间曾经做了一次“换跑道”的动作，我就从这里开始叙述。

1971年我在纽约州立大学石溪分校开始研究生生涯，并在1972年成为杨振宁先生的研究生。当年物理学的最前沿无疑是高能物理。顺理成章地，1974年我的博士论文跟着杨先生探讨了一些高能物理的题目。毕业至今五十多年，跟随杨先生的学习没有停止过。杨先生设身处地用心为我规划了一生的事业方向。如今斯人已逝，留下的是我心中永远的怀念。我用几张珍贵的照片(图1)表达学生的怀念之情。

图1 我与老师杨振宁先生 (左)1973年，摄于纽约州立大学石溪分校；(中)1981年，摄于东京大学；(右)2016年，摄于清华大学

毕业之后，在杨先生的指导和启发之下，我从高能物理“换跑道”进入加速器物理领域。加速器物理是物理学中的一门学科，文中我将多次提到这门学科。

早在20世纪六七十年代，杨振宁先生便独具慧眼，预见加速器物理是未来物理学发展的一个关键领域。他不仅延揽了Ernest Courant至石溪任教，播下了加速器物理在大学成为正式学科的种子，更积极鼓励学生投入这个新兴领域。我便是其中一名幸运的学生。

在杨先生的鼓励之下，我从Courant学习了加速器物理入门课程，发现这个当时名不见经传的科目竟然如此有趣且富有挑战性。当时的我惊异地发觉，原来物理世界海阔天空，到处有惊喜，到处是挑战，远不止是我当时正在努力学习的狭小范围。

但是我最终决定“换跑道”，选择加速器行业作为毕生事业，得益于杨先生在1974年和我的两次长谈。杨先生给我的忠告，至今历历在目：不要选择一个热门的、人满为患的旧学科——粥少僧多；要选择一个有前景的发展中的新学科——僧少粥多。

1974年，在与杨先生的第二次长谈之后，我决定“换跑道”。过去的学习使我把获得的坚实的物理和数学基础，应用到加速器物理的研究上。加速器物理和其他物理学科一样，若没有坚实的物理基础，加上积极创新的努力，是不可能有成绩的。

2. “换跑道”的反思

我必须指出，更换人生跑道并非一个如此线性的过程：它不等于一位高明的师长指明方向，学生便径直前行；也不等同于昨日在跑道A，今日便简单地切换到跑道B。

“换跑道”的决定不是一个简单的授受，而是一生事业的承诺。其最终目的是为了选择一个可能做出更多贡献的开垦地，而不是为了换取一条安适富足的康庄大道。这意味着，迎接你的或许不是衣食无忧的生活，而是需要披荆斩棘、奋斗终身的园地。正因如此，在作出决定前，必须明晰其中的区别。而这个决定，最终只能自己来。

我以自己的经历为例说明。加速器物理在1974年的情形基本上是这样的：“加速器物理”不构成一个物理专有名词；没有一个国家的物理协会有加速器物理部门；没有专门杂志发表加速器物理论文；没有任何奖项或鼓励颁发给加速器物理重要的成果；学校里没有加速器课程；没有课本。

在名师“僧少粥多”的指点之后，学生是不是应该选择进入这样一个论文无处发表，即便做出成绩也基本上无人认可的、蛮荒的领域作为自己终身的事业？因此“换跑道”需要一定的勇气与信心。

但是杨振宁先生的预言成真。50年来，我们目睹加速器物理的学科成长壮大。今天的加速器物理成为一门蓬勃发展的物理学学科，正如杨先生所预见(图2)。

图2 1974年以后，加速器物理学科经过一批先驱者的不懈努力，逐渐成长壮大。图中列出了几个里程碑工作

3. 加速器物理重要吗？

理学是一门以实验为基础的科学，其发展进程取决于物理实验研究工具的创新与突破，大多数重要的物理学进展都先以工具的创新与突破为前提然后才水到渠成的。

加速器是物理学发展过程中的一个重要工具。有多重要呢？试用一个简化/具体的视角——诺贝尔奖——来进行分析。参考资料 (E. Haussecker and A.W. Chao, “The influence of accelerator science on physics research”, Physics in Perspective, 13, 146(2011))是一篇重要的文献。这项工作提出的问题是：依据1939年到2009年的诺贝尔物理学奖相关档案，官方列出的关键参考目录，严格统计所有诺贝尔物理学奖中，有多少奖项是因为加速器的突破而得到的？图3是工作进行中的一景。

图3　一个分析加速器物理对其他物理学领域贡献的工作。图示工作中的一景

这篇文献给出的结论是，有28%的诺贝尔物理学奖工作是基于新的加速器原理和技术的创新与突破。除此之外，还可以得到一个隐藏的、同样重要的信息，如图4所示。

图4 因加速器的突破而产生的诺贝尔物理学奖占所有诺贝尔物理学奖中的28%。横轴为年份，纵轴标示出因加速器的进展而得到诺贝尔奖的积累数。图下方标示出物理学发展中不同的主题期。主题基本上以30—40年为一期，但是每当主题转换之后，加速器作为物理进展驱动主力的情况不变

在图4中，物理学的发展大约每30—40年换代一次，每代有一个主题。从图中可以清楚地看到换代的趋势：

(1) 1900—1930年代：原子物理主题期

主题：原子，分子(加速器还没有发明)

(2) 1930—1970年代：核物理主题期

主题：原子核，质子，中子，电子

(3) 1970—2010年代：粒子物理主题期

主题：夸克，胶子，电子，中微子

20世纪物理学的发展趋势之一是研究对象逐步向小尺寸过渡。进入21世纪，人们开始重新审视并快速背离这个方向。新世纪以来，物理学的发展重心从夸克和胶子一路返回到原子分子的主题，全线撤退的速度和步伐惊人。与夸克和胶子不同，原子分子的物理研究直接贡献于经济和民生。原子分子是当代物理学关心的主题。

研究原子分子，最重要的工具是光。光源的发展演变成为下一个物理世代发展方向的关键。下一个物理世代是光的世代，如图5所示。