中国物理学进入第一方阵了吗？

    □ 长江日报记者李煦

    刚刚过去的10月，发生了两件与中国科学界相关的大事。

    第一，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十五个五年规划的建议》提出：完善新型举国体制，采取超常规措施，全链条推动集成电路、工业母机、高端仪器、基础软件、先进材料、生物制造等重点领域关键核心技术攻关取得决定性突破。突出国家战略需求，部署实施一批国家重大科技任务。加强基础研究战略性、前瞻性、体系化布局，产出更多标志性原创成果。

    第二，杨振宁先生逝世。他在30多年前就预言过，“到了21世纪中叶，中国极可能成为一个世界级的科技强国”。

    也在这个10月，诺贝尔物理学奖颁给了量子领域的科学家。

    人们自然会想到这些问题：中国物理学走到了哪一步？能实现国家战略需求吗？中国物理学界何时取得世界级的标志性原创成果？

    带着这些问题，上周，长江日报《读+》周刊专访了中国物理学会副理事长、中国科学院院士、中国科学技术大学教授赵政国。

    ■ “希格斯炸弹”与文明命运

    前不久，赵政国主编的《走近“上帝粒子”——希格斯粒子发现之旅》出版。中国科学院院士、中国科学技术大学校长常进为该书作序称，“赵政国院士这位实验物理学界的杰出科学家曾领导北京正负电子对撞机上的北京谱仪实验并取得突破性成就”；他带领团队参与欧洲核子中心大型强子对撞机上的ATLAS实验，“在希格斯粒子的发现及其性质研究方面做出了直接而重要的贡献”。

    希格斯粒子有什么用？简单答案是，假若没有希格斯场，基本粒子将无法凝聚成物质，宇宙也将不复存在，所以希格斯粒子也经常被人们称为“上帝粒子”。

    但是，还有一种严峻得多的答案。

    《走近“上帝粒子”——希格斯粒子发现之旅》书中提到，物理学家尼尔森在丹麦电视台发表演讲称，军方应该关注希格斯粒子。他的理由是，希格斯势能可能并非处于真正的稳态，而是处于一个亚稳态。如果能够扰动这种状态，可能会引发巨大的能量释放。他将这种现象称为“希格斯炸弹”或“星系炸弹”，暗示其威力足以摧毁一个星系。

    人类能掌控什么级别的能量，标志着人类达到何种文明程度。原始人只能掌控自己的肌肉能；农业社会可以掌控畜能；工业时代有了机械能和电能；后来有了核能……

    “希格斯炸弹”让人想到《三体》里的“二向箔”，这种星系级别的能量，不可能用来解决地球上的纷争。只有一个物质极大丰富、智慧高度发达的文明，才能够掌控这种级别的能量；那时的人类必然比今天明智得多，他们会用“希格斯能量”保卫地球，并向宇宙拓展。

    ■ 中国物理学界向前沿进军

    赵政国院士从事粒子物理实验研究。除了希格斯粒子，粒子物理学还关注——相互作用统一研究：强、弱、电磁、万有引力等相互作用统一的可能性，质子是否会衰变，磁单极子是否存在；超对称理论探索：超对称是否在自然界中存在，超对称破缺的机制，以及最轻超对称粒子是否构成暗物质成分。

    而在粒子物理学之外，当今国际主流物理学界聚焦的研究问题主要集中在以下几个方向——

    宇宙学与天体物理学：暗物质的本质是什么？暗能量是否驱动宇宙加速膨胀的根源？早期宇宙是否经历过指数级的暴胀阶段，驱动暴胀的“暴胀子”场的特性，暴胀理论如何解释宇宙微波背景辐射均匀性、宇宙几何平坦性？超大质量黑洞在早期宇宙快速形成的机制？星系如何从早期密度涨落发展出多样结构，第一代恒星的特性及其对宇宙再电离的影响？超高能宇宙射线的起源与加速机制，以及来自宇宙深处的快速射电暴的产生原理是什么？

    量子力学与量子引力：尝试将广义相对论与量子力学统一，弦理论、圈量子引力等理论路径是否能准确描述普朗克尺度下的时空与引力？黑洞信息悖论如何解决，即黑洞是否会通过霍金辐射等方式保存并释放信息，以及广义相对论预测的黑洞奇点本质该如何理解？量子纠缠背后的深层机制是什么？波函数坍缩的发生过程？量子力学哥本哈根诠释、多世界诠释等哪种更符合物理真实？

    凝聚态物理与应用物理：寻找新型超导材料；发展半导体量子技术，提升量子比特操作保真度与集成度，推进半导体量子计算实用化进程，同时探索量子点发光二极管、MicroLED等半导体器件的性能优化。

    物理学这座大厦实在太宏伟了！令人欣喜的是，我国学者在几乎所有物理前沿领域都有布局，都有程度不同的进展。

    2024年12月，英国《物理世界》杂志评选出了年度十大科学突破，其中中国两项科研成果入选：自带 “开关” 的半导体石墨烯以及从月球背面返回的第一批样本。

    暗物质和暗能量研究：中国科学技术大学团队成功开展了轴子暗物质的直接搜寻实验，将国际上的探测界限提升了至少50倍；中国科学院国家天文台团队领衔完成的暗能量光谱巡天国际合作组研究成果，登上了《自然》杂志。在宇宙暴胀理论验证方面，中国的阿里原初引力波探测实验已于2024年4月建成运行。南京大学团队发现了超大质量黑洞影响宿主星系形成演化的重要证据，向着最终揭开星系生死之谜迈出了关键一步。

    南京大学物理学院团队在量子物理研究方面取得重大进展，他们在世界上首次观察到引力子激发（引力子模）——引力子在凝聚态物质中的新奇准粒子，被国际同行评价为“朝量子引力理论突破迈出的关键一步”。

    量子计算方面，2025年8月，中国科学技术大学潘建伟团队与上海人工智能实验室合作，利用人工智能技术成功构建包含2024个原子的无缺陷量子计算阵列，创下世界纪录，并突破传统方法仅能处理几百个原子的限制。

    粒子物理方面，今年8月26日，承载全球粒子物理界期待的“国之重器”——江门中微子实验，正式投入运行，成为国际上首个运行的超大规模和超高精度的中微子专用大科学装置。2024年8月，中国科学院近代物理研究所等机构的科研人员参与RHIC-STAR国际合作实验研究，首次在相对论重离子金金碰撞中观测到一种新的反物质超核——反超氢-4，这是迄今实验上发现的最重的反物质超核。

    凝聚态物理方面，中国科学院联合国内外多个研究团队，在全球率先发现全新高温超导体系，是人类目前发现的第二种液氮温区非常规超导材料，是基础研究领域“从0到1”的突破。上海交大团队取得重要进展，为未来探索拓扑绝缘体、关联电子相及分子超导体等新型量子物态提供了基础。中国天津大学与美国佐治亚理工学院团队攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题，为石墨烯在电子器件中的应用开辟了新的可能性。北京大学团队提出了奇点色散方程，并研制出迄今模式体积最小的激光器。这为物质科学和生命科学提供了全新的原子级成像工具。

    【访谈】

    ■ “科技自立自强”，需要大批物理人才

    读+：我国的国家战略需求对物理学意味着什么？

    赵政国：《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十五个五年规划的建议》将“科技自立自强水平大幅提高”列入“十五五”时期经济社会发展的主要目标，并将“加快高水平科技自立自强，引领发展新质生产力”作为战略任务进行专章部署。我们国家现在还面临许多限制，要立足科技自立自强来解决这些问题，就需要大量的物理知识、大批物理人才。

    比如芯片和光刻机，这就与材料、半导体等有关。目前硅基材料有些采用新的方法形成硅基片，如何进行光刻处理？光刻机是如何进行刻蚀的？如何达到如此精度？这完全是物理学中的内容，这些内容在大学课本上可能都有，但是如何实施？这涉及凝聚态物理、光学、量子物理、等离子体物理等领域。再比如人工智能发展，不仅需要计算机或者信息方面的知识，还要招收物理人才。因为物理可以从底层逻辑和第一性原理上解决问题、思考问题，对研发和攻克难点非常关键。

    从我接触到的来看，从国防军工到军民融合，在国计民生诸多领域，物理学是一个灵魂，要解决问题离不开这个灵魂。

    ■ 科研条件是“天地之别”，中国超越是时间问题

    读+：现在能不能说，中国物理学界的实力在国际上排到了第一方阵？

    赵政国：还不能完全这样说。物理学是一个很大的概念，其中包括很多领域、很多方面。我们在有些领域、有些方面可能是“领跑”，或者是“并跑”，有些还有距离。我国“十五五”时期经济社会发展的主要目标之一，就是科技上“并跑领跑领域明显增多”。

    从国际上看，美国是物理学大国，在各个领域都相对全面；还有一些中等国家，例如意大利，在某一两个方向或者某一个大领域表现很强。中国是个大国家，在物理学科研上应该“全链条发展”。

    我1988年在中国科学技术大学取得博士学位，导师是梅镇岳，他1939年毕业于清华大学物理系，1945年赴英获得博士学位，1953年回国。他撰写的核物理著作成为中国核物理学的基础课教材。我们当时条件很差，但导师给我们选择的博士论文课题是国际上最前沿的，中微子质量的测量，到今天这些课题仍没有得到最终解决。

    此后我到美国、欧洲工作，后来回国。我认为，现在这个阶段与我读研究生的阶段相比，从经费、实验室条件、人才总体水平来说，已经是“天地之别”。

    21世纪以来，我国的自然科学基金，连续数年每年增长百分之二十几，这种增长是不可想象的。相比之下，前不久我参加了几个主要国家的物理学会领导人圆桌会议，询问其他大国的自然科学基金，几乎都减少了，有个别的减少了一半甚至更多。

    过去我们参加国际学术交流，我这个领域的亚洲面孔很多是日本人，也有些韩国人，中国人只有三五个；现在完全倒过来了，中国人很多，日本人比我们少，韩国人基本上没有几个。我观察学生这一辈年轻人，我不认为他们比西方一流大学的学生差。

    从这些方面都可以看出，格局正在变化，只有我们这些经历过的人，才能看出这种巨大的变化。

    现在的问题在于，人才、经费、基础条件已经达到要求，但是某些学科，尤其是基础性研究，对于“坐冷板凳”的要求较高，我们还需要一定的过程。而且人家的物理底蕴深厚，拥有近百年的近代物理研究经验；尽管我们的增长很快，但是总投入仍然存在差别。弥补这个差别需要时间，中国的超越是时间问题。

    回到你关于“第一方阵”的问题。我熟悉的领域，很多都在第一方阵，有些课题上，我们已经是在“领跑”。还有些领域，我们正在走向第一方阵，从发表论文的数量上可以看出这一点。

    另一方面，在阅读关于科技成就的宣传报道时也要注意，科研成果转化为经济社会成果是需要前提条件的，在应用场景上可能会面临局限；如果要投入商业运行，还要考虑成本等因素。换句话说，科研突破不一定能立竿见影转化为生产力，这也需要过程。

    ■ 中国物理学下一个“金矿”在哪里？

    读+：既然如此，中国物理学下一个“金矿”会是在哪里？

    赵政国：这个问题难以回答，我认为没有标准答案。

    物理学本身非常宽泛，从最微观的物质组成，到声光电，再到宏观的宇宙天体，都属于物理。近代物理科学已经发展了近百年，相对容易摘掉的果实都已经摘掉。因此我们并没有明确的“金矿”选择，有可能现在认为的冷门地方就是下一个重大突破的地方。

    科学的目的是寻求未知的答案。自然界的几个基本科学问题都还没解决，包括物质、生命和宇宙等等。就拿量子来说，中国的量子计算、量子通信是近几年的热点，取得了巨大的成就，得到实践的检验，已经走在世界的第一方阵，甚至有时是在“领跑”。从原理角度来看，它是量子物理的应用。我在大学学习量子学时，对此也非常感兴趣，但是越学到后面越认为，我们并不了解量子。包括诺奖获得者在内的一些著名物理学家都认为，没有人真正了解量子物理。我非常赞同这个观点。我认为，既然我们还没有真正理解它，说明这里面有更深层次、更核心的问题需要去攻克，说不定这就是一个“金矿”。

    科学的规律是不断向前发展，更精确、更精准地反映物质特性和客观规律，我们通过这个过程不断完善。这是一个迭代的过程。在回答重大科学问题时，找到了突破口就是“金矿”。有时候科研推进到一定程度时，某个方向做不下去，可能会不再热门。但是随着技术和理论的发展，一些约束因素不再构成约束，那个一度是冷门的东西会再度变热。

    从我个人的理解来看，目前而言，在物理学基础研究方面值得重视的，一类是与“瓶颈”有关的国家战略需求，另一类是物理学本质上的重大前沿科学问题；在物理学应用方面，例如核聚变、特殊材料、高温超导可能对国民经济、对工业发展非常有利，也有很多用途。

    读+：您提到诺贝尔奖，我感到好奇的是，中国物理学人如何看待每年发布的诺贝尔物理学奖？

    赵政国：首先，本领域的人通常会感到高兴，认为这说明“我们这里非常重要”。专家通常还会举行科普报告来讲解，这项工作的价值是什么，人家获奖的原因是什么？这对年轻一代也是一个激励。

    然后，随着见识增多，中国学者逐渐走向成熟，心态也逐渐淡定。现在学术交流机会很多，在国际国内乃至本院校，我们经常见到诺奖获得者，和他们一起工作、一起讨论问题、吃饭交流。大家都是研究者，他获得了诺奖，说明了他的建树；拿到这个是好事，但是并没有什么太了不起。

    其实我认为，我们不要过于看重诺奖。我们进行科学研究的动机是什么？是回答未知，寻找未知的答案。如果是为了获得诺奖来进行科研，那叫“动机不纯”。

    “动机不纯”会引起很多问题，尤其在大科学团队工作时，它会对人产生有害影响。我曾经见过一些成名的人士，包括国际上的知名人士，他的动机不纯，似乎想要“留一手”，或者抢占别人的资料、成果或者名声。你可以看出，这种人在培养学生、在参加大型合作时的做法与其他人不同。

    读+：您在书中提出一个观点：工欲善其事，必先利其器。众所周知，杨振宁先生生前反对建造大型加速器，他这个观点影响很大。您认为中国还需要建设哪些大科学装置？

    赵政国：杨振宁先生反对的是大型粒子对撞机（CEPC），CEPC在科学上有很大意义，投资可能达到几百亿级；欧洲人也有类似的打算，他们估计的投资是千亿级。杨先生作为大科学家，在学术上有他自己的观点，不过也有其他的著名学者不赞成他这个观点。

    我想介绍正在进行技术攻关的我国新一代正负电子对撞机、粒子物理实验研究利器——超级陶粲装置，其投资大约几十亿元。作为国际独特的强相互作用研究和电弱精确测量专用平台，该装置将在未来20年至30年内保持我国在陶粲能区粒子物理实验研究的世界领先地位，带动相应高新技术发展，在基础科学研究、高新技术创新和复合型创新人才培养等方面具有重大意义。

    目前，欧洲有发现“上帝粒子”的大型强子对撞机LHC，美国有布鲁克海文实验室相对论重离子对撞机，日本有正负电子对撞机B介子工厂superKEKB等。中国的北京正负电子对撞机于1988年首次对撞，取得了一批在国际高能物理界有影响力的重要研究成果。

    但是北京正负电子对撞机已经无法继续满足更深层次实验的条件，相比之下，超级陶粲装置用1天就能完成现有装置需要100天搜集的数据，而且不同的加速器有特定的运行能区，陶粲能区在粒子物理研究中独具特色，有很多实验值得探究。

    除了超级陶粲装置，我认为我们还需要加强同步辐射光源建设。目前合肥在建第四代光源，上海和北京也在建设。但是我们的数量与西方还是相差很多。

    我1997年离开瑞士的时候，他们就已经拥有光源，覆盖600万至700万人口。欧、美、日的光源数量都比我们多。按照我们的实力，我认为，在明确需求、有序统筹的前提下，将来即使每个省建立一个光源都不算多。它可以应用于材料、生物、化学和结构研究等领域，在工业上有许多具体的用处，亮度越高，它越能看清楚过去看不清楚或者没看到的东西，是利用物理学的手段和工具研究其他方面的问题，构成了交叉科研。