我用十年回答了一个问题——访北京大学物理学院助理教授张熙博

我用十年回答了一个问题——访北京大学物理学院助理教授张熙博

北京大学物理学院助理教授张熙博

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行稳致远 久久为功

2012年,张熙博在《科学》杂志发表过一篇有关二维体系量子临界现象的论文,这篇论文中绝大部分的工作是利用实验验证理论物理学家已搭好的框架,并在当时受到了相当多的赞赏。这篇文章的最后一批测量留下了一个窗口,把在不同相互作用强度下测得的实验结果与国内外很多理论物理学家进行讨论的时候,还没有遇到学者能够对这一现象给出确定性的解释。

2015年张熙博回到北大任教,继续思考这一问题。2018年,武汉物数所的管习文教授来北大作报告,他的报告让张熙博受到启发。张熙博表示,此次见面,与管教授探讨了自己很多年没有得到答案的问题,并发现了自己的实验结果以及想法与管教授的纯理论研究有很多契合点,这引起了管教授的强烈兴趣,并促成了接下来富有成果的合作。

在一维相互作用体系研究取得进展的基础上,管教授又邀请了另一位国内做量子蒙特卡洛模拟的顶尖专家,中科大的邓友金教授加入研究。邓教授对二维体系的量子蒙特卡洛模拟与原来的实验结果非常吻合,并以更高的精度验证了在一维存在的规律在二维也同样存在,从而展示了分数量子统计在低维相互作用玻色体系的涌现。后来张熙博团队总结实验、理论和模拟的数据写出论文,这一成果在2022年3月发表于National Science Review,其背后经历了十多年的努力。“在我个人心中,这项工作比我之前发表的Science文章更加深刻、更加被我看重,因为它揭示了理论物理学家事先没有预料到的一个大范围美妙联系,把2011~2017年间的一系列超冷原子实验与诺贝尔物理学奖得主Haldane教授在1991年提出的分数量子统计联系起来。”

然而文章的发表也不是一帆风顺。在工作完成后,团队用两个月的时间就完成了手稿,第一次投稿PRL,审稿人两人同意发表,一人否定的情况下没有被接收。后来转投National Science Review,编辑反馈同意审稿的人不多,后来也有几个人放弃审稿,也收到一些负面的审稿意见,最终历时17个月论文才得以发表。其中的主要原因在这项研究属于理论、实验、模拟高度综合的学术研究,同时研究的视角是非常新颖的,如果缺乏实验、理论、模拟任何一方面的知识,可能就无法很好地理解这项研究的价值。如果因为不了解,甚至由于审稿人的误解而导致这项成果无法与领域分享,那将会是很大的遗憾,所以团队很努力地提供专业的回复。当2021年12月29日文章接受时,合作者邓友金教授评价“非常感动,非常高兴”,的确,团队里的每个人都是这样的感受。

02

博观约取 厚积薄发

回想这一段经历,张熙博说:“求学期间,在顶尖科学家的带领和指导下做出重大的突破性成果让我感到很有成就感。但当我开始主导科学研究,并跨越十多年时间解开博士期间留下的一个问题时,这一经历给我带来了巨大的愉悦。而我最大的活力还在于,没有人在逼我做这件事,是我个人觉得,问题无法解决对我来说是一个无法忍受的缺憾,我必须要解开这个谜题,所以一直在留意寻找方法和合作者。在这项研究里,我从两位合作者(管教授、邓教授)身上学到很多东西,尤其是他们的治学风格与精神。”

工作的高度综合性也是必须要强调的一点,一方面,这项研究需要把实验做到非常精确,才可以观察到相应的规律;另一方面,如果团队没有深厚的理论功底和强大的数值模拟能力,是无法注意到相互作用和分数量子统计之间的深刻联系,也无法在观测的基础上举一反三、推而广之,所以各方面都要做到最好才行的——如果用一个词来描述这一经历,我愿意用“厚积薄发”来概括。

03

师泽如山 微以致远

张熙博走上科研道路,除了一路上遇到的各位恩师之外,还要感谢三位伟大的物理学家:爱因斯坦、杨振宁和丁肇中。在高中和大学期间,张熙博拜读了三位大家的传记和文集。杨振宁先生的话,做物理的人要有Taste,让其深受启发。在大三期间读完顾迈南写的丁肇中传记后,张熙博便下决心在研究生阶段选择实验物理研究,这种决心在2004年写在了他的研究生院申请Personal Statement中。这些大科学家的传记对后来者的影响非常之大。张熙博选择目前的研究方向具有一定的偶然性。在申请芝加哥大学的时候,他的博士导师金政教授刚刚入职该校。金教授的研究方向(非微扰量子模拟)与张熙博本科期间的学习(格点量子色动力学的非微扰经典模拟)具有本质上相似的精神,于是便产生了极大的兴趣,很荣幸最终成为了金教授的学生;后来在博士后期间同样幸运地师从JILA的叶军教授,继续在精密测量和调控方向深造。

除了物理大家的引领和指导,同行乃至所有人身上的优点都值得学习。在把实验做好之余。如何更好的理解实验可能需要一定的机缘,遇到合适的人能够帮助你更好的解决问题。张熙博的经历帮助他纠正了一些偏见,认识到:最好的工作,必定超越实验和理论的门户之见;来自实验、理论、模拟不同领域的科学家通力合作,更容易实现原创性的研究突破。“现在我无论和谁聊天,都会很仔细的去听,对方的兴趣点和长处我都愿意了解,即使是那些看起来与我关系不大的研究,今天的一粒‘种子’,可能对未来的研究带来完全意想不到的帮助。谦逊的态度对于众人合力合作攀登科研高峰是绝对必要的” 张熙博说。

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立志长远 坚定不移

这项研究跨度十余年,而这十余年,张熙博也从而立迈向不惑,这段经历对未来的职业发展和个人生活,有着潜移默化的影响。张熙博坦言:“这一研究极大的增加了我的独立性,让我更加有信心去完成未来的实验设计。这仿佛是一粒‘种子’,为未来完全独立的思考奠定了基础。”在过去的很多年中,很多研究是理论物理学家提出设想,实验物理学家进行实验。,比如爱因斯坦提出引力波之后100年,通过实验得到证实,这一传统很好,这一工作也获得了诺贝尔奖。与此同时,这并不是唯一的科研范式。另一种范式是,对有意思的物理现象保持兴趣,并咬住不放,锲而不舍,最后发现科学现象背后的演生规律,并尽力举一反三,这类经历是一个研究者可遇而不可求的佳境。

在完成研究的过程中,张熙博的一些学生对于他在这一与主实验看似没有太大关系的研究上花费时间感到不解,特别是还面临tenure的压力,但张熙博未做过多解释。“有时候我们要追随我们的好奇心,遇到重大的科研机遇时,要勇于投入,敢于冒险,不计得失,去促成突破;在做好的工作过程中会得到一些善意的不理解,这时候更加需要坚定不移,这是科研人员的浪漫主义,”他说。

此外,用精密调控的工具去研究强关联多体物理一直是张熙博感兴趣的领域,他希望能把这两方面做更多的结合。把精密测量和精密调控的工具运用到相关的领域,比如使得本来需要10000个原子才能观测到的信号,现在有100个原子就能观测到。如果把这样的精密测量和调控工具与极端苛刻的实验条件相结合,便有希望独辟蹊径,帮助领域进入更高的测量精度和下一个发展阶段;在这类基础研究上,叶军教授曾谆谆教导张熙博等人,做事做人“rigorous”正是研究成功的关键品质。