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專訪杜祥琬院士：中國如何加入國際純粹與應(yīng)用物理學(xué)聯(lián)合會？
本文是《計算物理》期刊編輯部與原中國工程院副院長、中國工程院院士杜祥琬的一次訪談。訪談從38年前杜祥琬發(fā)表在中國第一本計算物理領(lǐng)域期刊，也是全球最早的四本計算物理專業(yè)期刊之一的《計算物理》上的一篇文章談起，分享了他發(fā)現(xiàn)非線性中子輸運方程、中國1984年10月加入國際物理學(xué)界最高組織IUPAP，以及IUPAP成立計算物理專業(yè)委員會這三件事背后鮮為人知的故事。
談話中，杜祥琬院士還分享了他對于理論物理、實驗物理以及計算物理相互關(guān)系的認(rèn)識，對于中國計算物理學(xué)科的發(fā)源地——中國工程物理研究院北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所計算物理學(xué)科發(fā)展建設(shè)、以及《計算物理》期刊發(fā)展的殷切期待。
愛因斯坦說過，“一切偉大的科學(xué)成就都始于直覺的知識?！边@期訪談啟發(fā)我們，即使在發(fā)展比較成熟的領(lǐng)域，老樹開新花也是常見的。在科學(xué)研究中，不能盲目跟隨，不要被過去的經(jīng)驗所束縛，或是迷信權(quán)威，應(yīng)當(dāng)保持獨立思考的能力，重視科研直覺的價值。
撰文 | 劉潔（北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所）、黃爍（北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所）、崔磊磊（中國工程物理研究院戰(zhàn)略技術(shù)裝備發(fā)展中心）
自1984年創(chuàng)刊起，《計算物理》就承載著推動中國計算物理及相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)創(chuàng)新研究之重任。38年來，歷屆編委會和幾代編輯人辛勤耕耘，《計算物理》始終堅守“傳播計算物理領(lǐng)域前沿成果、促進計算物理學(xué)術(shù)成果交流、推動計算物理學(xué)科發(fā)展”的辦刊宗旨，為我國計算物理以及相關(guān)學(xué)科的創(chuàng)新發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。
最近，應(yīng)主編江松院士的邀請，杜祥琬院士接受了《計算物理》的獨家專題訪談。訪談中，杜祥琬從38年前在《計算物理》上發(fā)表的一篇論文談起，講述了三個鮮為人知的故事。這里，《計算物理》編輯部特將這三個“神秘”的故事整理成文，以饗廣大讀者。
故事一：
38年前《計算物理》上的一篇論文
應(yīng)用研究中始料未及的問題，能夠推動基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。
在2021年9月18日舉行的第十三屆創(chuàng)新中國論壇上，中國工程院原副院長杜祥琬院士以《在應(yīng)用研究中感受基礎(chǔ)研究》為題，講了老周（周光召）和老于（于敏）的故事。報告中，除了兩彈元勛們的“大故事”以外，他還講述了一個“小故事”，這個故事與他38年前發(fā)表在《計算物理》上的一篇文章緊密相關(guān)。
故事緣起于一封信。最近，杜祥琬院士收到了他的第一位博士研究生李彬（現(xiàn)清華大學(xué)教授，博導(dǎo)）的一封信，并隨信轉(zhuǎn)寄了1984年發(fā)表在《計算物理》上題為《非線性中子輸運問題的一個解法》的論文。信中，李彬也講了一個故事：清華大學(xué)工程物理系一位研究中子物理的老師在指導(dǎo)學(xué)生時，拿著這篇文章，對他的學(xué)生說：“搞中子物理，就要從這篇文章入手。先把這篇文章吃透，再從這里介入中子物理學(xué)?！倍畔殓菏康弥@個故事后，向李彬表達(dá)了謝意，也感謝清華大學(xué)工程物理系的那位老師。
杜祥琬接著說：“這篇文章的主要內(nèi)容是分析中子輸運方程的非線性問題。在此之前的相關(guān)研究中，因為原子核的密度比中子大很多，大家也就都認(rèn)為著名的‘中子輸運方程’一定是線性的。然而，在實際工程中，我們發(fā)現(xiàn)在聚變反應(yīng)很劇烈的地方，可能會出現(xiàn)中子密度比核密度還要大的情況。此時，中子之間的碰撞就不能不考慮，線性的中子輸運方程就不適用了。于是，我們提出了‘非線性’中子輸運方程的概念。在此之前，‘非線性’的提法是從未有過的。1984年《計算物理》上的這篇論文，代表中國科學(xué)家率先在國際上提出了非線性中子輸運方程及其解法?！?/span>
當(dāng)然，這篇論文只是寫了一個解法，杜祥琬希望科學(xué)家們能不斷突破，找出更多新的解法。接下來，杜祥琬又回憶了當(dāng)年促使這一創(chuàng)新研究產(chǎn)生的情景：
“當(dāng)時，我們在開展有關(guān)聚變的研究。具體工作就是看紙帶（作者注：看紙帶可是當(dāng)年的神功，現(xiàn)已幾近失傳！在看紙帶的過程中，科學(xué)家們腦補數(shù)值模擬的圖像來分析紙帶上所記錄的計算數(shù)據(jù)）。氘和氚之間的聚變反應(yīng)產(chǎn)生中子并釋放17.6MeV的能量。而一般介質(zhì)里面，原子核的密度要比中子的密度大得多，所以中子與核子的碰撞是主要的，這就是當(dāng)時的中子輸運方程所描述的情況?！?/span>
“然而在接下來十幾個月的工作中，我們卻從整體上發(fā)現(xiàn)，在聚變反應(yīng)很劇烈的反應(yīng)區(qū)內(nèi)，中子的密度可能大于核子的密度，中子跟核子可以碰撞，中子跟中子也會碰撞。如果中子輸運不考慮中子之間的碰撞，只考慮與核子的碰撞，則是線性輸運方程的形式，線性方程中，每一項里都是一個中子通量跟一個核反應(yīng)（吸收、散射或轉(zhuǎn)移）的截面。如果要考慮中子與中子的碰撞，需要給線性輸運方程加上中子碰撞項，這樣一來就有兩個中子通量，中子輸運方程就不再是線性的，就得到了那篇論文中的基本方程。
接下來就是非線性方程的求解了。求解時，一個比較容易想到的方法就是采用微擾方法，把非線性方程化成一個線性方程組。這樣就提出一個逐次碰撞展開法：將沒有中子碰撞的，有一次碰撞，有兩次碰撞的……分別加起來，可以得到所有的中子。論文中介紹了n-n逐次碰撞展開法，并把非線性中子輸運方程化為耦合的線性方程組求解，這樣既可以‘方便利用線性中子輸運方程解法和程序的框架’，同時還可以‘明晰地給出非線性項的貢獻’，研究近似認(rèn)為‘n-n碰撞產(chǎn)生的中子密度，在一次近似下與源中子發(fā)射率的平方成正比’。論文的最后還給出了數(shù)值模擬的結(jié)果，表明：‘n-n碰撞產(chǎn)生了系統(tǒng)中原來沒有考慮的超高能中子’，‘對氘氚聚變靶所作的數(shù)值計算證實了上述結(jié)論’。”
“后來在與美國專家交流的時候了解到他們只是考慮了線性輸運。當(dāng)?shù)弥覀兛紤]了非線性中子輸運方程時，美國專家覺得這很新奇?！?/span>
至于當(dāng)時為什么選擇將這一突破性結(jié)果在《計算物理》發(fā)表，杜祥琬則表示這個想法很自然：“首先，這是一個物理問題，也是需要用計算來解決的問題，又是在計算的紙帶中發(fā)現(xiàn)的問題，解決的過程又求助于計算機把它化成一個線性方程組。這是一個非常典型的計算物理問題，我們很自然就選擇了將這篇文章投到《計算物理》發(fā)表?！保ń?jīng)查，《非線性中子輸運問題的一個解法》一文最近的引用是2018年，至今仍在相關(guān)的研究中廣泛應(yīng)用。）
故事二：
由1984年想到的另一個里程碑式的故事
當(dāng)談到《計算物理》是1984年創(chuàng)刊時，杜祥琬想起來那年發(fā)生的另一個里程碑式的故事。故事從國際上物理學(xué)界的最高組織——國際純粹與應(yīng)用物理學(xué)聯(lián)合會（International Union of Pure and Applied Physics，以下簡稱為‘IUPAP’）說起。這是一個國際性的非政府和非營利性科學(xué)組織，于1922年創(chuàng)建于比利時布魯塞爾，是國際物理學(xué)界規(guī)模最大的學(xué)術(shù)性團體，創(chuàng)建之初有13個成員國。
1931年，法國物理學(xué)家朗之萬等受IUPAP委托來華考察。在北平物理學(xué)界人士召開的歡迎會上，他力主中國建立物理學(xué)會。經(jīng)過物理學(xué)界有識之士共同努力，1932年8月，在清華大學(xué)科學(xué)館召開了中國物理學(xué)會成立大會暨第一屆年會。次年1月，IUPAP接納中國物理學(xué)會為會員。
新中國成立以后，中國物理學(xué)會在IUPAP的席位一直由中國臺灣方面代表。中國物理學(xué)應(yīng)該恢復(fù)在IUPAP的席位，這個問題是很清楚的。但由于種種歷史原因，重返IUPAP一事被擱置，直到1984年，“加入IUPAP”才被時任中國科學(xué)院副院長的周光召重新提上議程。那接下來的問題是：如何加入IUPAP？
李政道得知中國在尋求加入IUPAP就主動來幫忙。因為此事涉及到臺灣，而當(dāng)時臺北中央研究院院長是吳大猷，他既是李政道的老師，也是周光召的老師。李政道就負(fù)責(zé)溝通臺灣中央研究院和大陸的中國物理學(xué)會。在他的越洋協(xié)調(diào)下，77歲高齡的吳大猷院長委任臺灣清華大學(xué)理學(xué)院院長沈君山教授作為臺灣方面代表，周光召代表大陸方面，一同協(xié)商實施方案。根據(jù)國際慣例，因為IUPAP不是政府組織，臺灣方面也還可以存在，經(jīng)雙方商議達(dá)成的方案是：中國物理學(xué)會以“The Chinese Physical Society”之名加入IUPAP，中國臺灣地區(qū)物理學(xué)會以“The Physical Society located in Taipei（位于中國臺北的物理學(xué)會）”的名義保留在IUPAP內(nèi)。這是一個全新的模式，一經(jīng)提出便得到了雙方的認(rèn)可和IUPAP的接受。日后也為許多國際非政府組織所采用。
同年8月，中國物理學(xué)會組織代表團前往意大利里雅斯特出席第18屆IUPAP代表大會，中國物理學(xué)會代表團團長周光召當(dāng)選為IUPAP副主席，官方代表團團員分別是中科院物理所所長楊國楨、北大物理系趙凱華教授和杜祥琬。這是改革開放以后杜祥琬第一次出國，是跟老周出去的，也是見證歷史時刻的一次出訪。（作者注：在中國物理學(xué)會的官網(wǎng)上，“中國物理學(xué)會于1984年10月正式加入IUPAP。”簡單的一句話背后有多少鮮為人知的故事，又濃縮了多少中國物理學(xué)人的探索與追求。）
故事三：IUPAP的第21專業(yè)委員會
——計算物理專業(yè)委員會的創(chuàng)立
“基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的源頭，也是科技強國建設(shè)的根基之一。一項科學(xué)發(fā)現(xiàn)能開辟一個顛覆性應(yīng)用研究領(lǐng)域，基礎(chǔ)學(xué)科的水平是應(yīng)用研究的靈魂。科技強國的一個標(biāo)志——基于厚重的基礎(chǔ)研究的科學(xué)發(fā)現(xiàn)能力。”
——杜祥琬在第十三屆創(chuàng)新中國論壇上的講話
第三個故事和前面兩個故事都有關(guān)系。在第一個故事發(fā)生前的一段時期，因工作需要，時任九所所長的周光召和于敏非常重視中子物理學(xué)這一核科學(xué)工程的中心學(xué)科，決定重建中子物理研究室。此前婉拒了出任副所長的杜祥琬再次被委以重任，開始了中子物理研究室的全面重建工作。這是一項繁重復(fù)雜且專業(yè)性很強的工作。不過，中子物理研究應(yīng)該包括哪幾個方面，成立哪幾個研究組，杜祥琬早已了然于胸，這是因為杜祥琬本身就從事中子物理研究，對中子輸運方程的興趣就是從這里開始的。
理論上，中子輸運方程可以比較精確地描述中子在核反應(yīng)中的運動和分部。但是，求解方程還需要一些具體條件：１）描述中子與核相互作用幾率的中子參數(shù)（包括中子反應(yīng)截面、次級中子能量分布和角度分布）；２）系統(tǒng)的幾何形狀和尺寸；３）系統(tǒng)中各級核材料的配置和密度分布等等。有了這些條件問題，原則上可以求解，但實際求解仍是非常困難的。而中子物理研究室成立以后，杜祥琬帶領(lǐng)中子物理研究室開展了中子跟核相互作用的研究工作，各個組的工作要么是計算方法，要么就是中子參數(shù)?！斗蔷€性中子輸運問題的一個解法》便是在解決實際困難中的一個創(chuàng)新方案。
“所以談到計算物理的過去與現(xiàn)在，咱們可以說在計算物理方面是走在前頭的。因為在那個時候，國家一有新的計算機，就給咱們。所以我們很多問題要通過計算來做物理判斷，很多物理問題又不是腦子想想或者用手算算就能知道結(jié)果的，這種情況就要求助于計算機。所以計算物理就是在計算與物理相互幫助當(dāng)中成長起來的，我們對計算物理的體會也就比較深刻：計算是為了物理，物理又促進了計算，慢慢越來越融合，也越來越發(fā)達(dá)。這樣一來就又對物理學(xué)產(chǎn)生了影響。”
“在歷史上，物理學(xué)從實驗科學(xué)發(fā)展起來，到了現(xiàn)代物理學(xué)，一直是實驗物理加理論物理。直到后來人們開始認(rèn)識到還出現(xiàn)了一個計算物理。這個計算物理還不能算是理論物理，因為它不是從理論上來解決一些物理問題，而是通過計算在計算機上做“實驗”；但這種“實驗”又不是實驗室的實驗，所以在物理學(xué)領(lǐng)域，除了實驗物理、理論物理，逐漸地有了計算物理這個概念。發(fā)展至今幾乎所有物理學(xué)的主要分支都能在計算物理學(xué)的應(yīng)用中找到一席之地。計算物理已成為物理學(xué)中與理論物理和實驗物理聯(lián)系緊密又相對獨立的第三大分支?！?/span>
“老于他們很有戰(zhàn)略眼光，在老于、老鄧的積極推動下，《計算物理》在1984年就創(chuàng)刊了。那個時候，國際上IUPAP已經(jīng)有20個專業(yè)委員會，但是作為國際物理聯(lián)合會，當(dāng)時還沒有設(shè)立計算物理分委員會。”
故事二講了1984年中國物理學(xué)會恢復(fù)了在IUPAP的席位。到了1993年，在日本奈良召開的第21屆IUPAP代表大會上，由楊國楨、趙凱華和杜祥琬組成的代表團再次出席會議。在那次代表大會上，杜祥琬建議IUPAP成立第21個專業(yè)委員會——計算物理專業(yè)委員會。這項提議當(dāng)即得到捷克代表的支持，于是大會決定成立一個工作組來醞釀此項建議，向IUPAP提出成立專業(yè)委員會的方案。因此杜祥琬作為建議者之一，與工作組一起參加了籌備工作，并當(dāng)選第21專業(yè)委員會——計算物理專業(yè)委員會的首屆委員。這就是計算物理進入IUPAP的故事。
隨后，杜祥琬又談及了他對《計算物理》的關(guān)注與未來發(fā)展的建議。自1984年創(chuàng)刊至今，依托北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所的學(xué)術(shù)力量，《計算物理》做了很好的工作，發(fā)揮了重要的作用。杜祥琬說：“我們研究所的特點就是計算物理，所里專門設(shè)立計算物理國防重點實驗室，這些年還有很多年輕人才的成長。計算物理在持續(xù)發(fā)展，研究領(lǐng)域也隨之不斷加深、開拓，因為物理在發(fā)展，計算機技術(shù)也在日新月異地發(fā)展。計算物理已有了幾十年的歷史，但它又是一個比較新的科學(xué)方向，充滿了創(chuàng)新和活力，在科學(xué)研究中，也發(fā)揮了越來越重要的作用，青年一代在該領(lǐng)域會大有可為?！队嬎阄锢怼菲诳矔笥凶鳛榈摹！?/span>
最后，杜祥琬院士欣然提筆，寫下了對《計算物理》的深深祝福：為推動物理科學(xué)和計算技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展與深度融合作出更大貢獻！
杜祥琬簡介：杜祥琬，應(yīng)用物理、強激光技術(shù)和能源戰(zhàn)略專家。1964年畢業(yè)于蘇聯(lián)莫斯科工程物理學(xué)院，1997年當(dāng)選為中國工程院院士，2002年當(dāng)選中國工程院副院長，2006年當(dāng)選為俄羅斯國家工程院外籍院士。曾主持我國核試驗診斷理論和核武器中子學(xué)的精確化研究；曾任國家863計劃激光專家組首席科學(xué)家，是我國新型強激光研究的開創(chuàng)者之一?，F(xiàn)任國家能源專家咨詢委員會副主任，國家氣候變化專家委員會顧問；獲國家科技進步特等獎一項、一等獎一項、二等獎兩項，部委級一、二等獎十多項。2000年獲何梁何利科技進步獎。
《計算物理》期刊簡介：《計算物理》（Chinese Journal of Computational Physics)是由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主管，中國核學(xué)會主辦，北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所承辦的計算物理學(xué)科中文學(xué)術(shù)期刊，現(xiàn)任主編為中國科學(xué)院院士江松?！队嬎阄锢怼穭?chuàng)刊于1984年，由共和國勛章獲得者、中國科學(xué)院院士于敏主持申請創(chuàng)辦，經(jīng)時任副院長兩彈元勛鄧稼先批準(zhǔn)而創(chuàng)辦，是國內(nèi)最早的計算物理學(xué)科專業(yè)刊物，也是全球最早的四本計算物理領(lǐng)域刊物之一。
《計算物理》期刊作為“廣大計算物理科學(xué)工作者的一個共同的科學(xué)園地”，在物理學(xué)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)，凡有關(guān)物理建模和計算方法研究，或應(yīng)用高性能計算機獲得計算結(jié)果的工作，均屬本刊收稿范圍。
