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张宏宝:北师大物理系青年教师,不只是科普

原标题:张宏宝:北师大物理系青年教师,不只是科普

2016年春节的引力波事件发生以后,一下子证明了两件事情:首先证明了引力波是存在的,其次证明了爱因斯坦的广义相对论可以描述两个黑洞碰撞并合发出引力波的过程。这无疑是十分令人惊讶的事情,因为虽然爱因斯坦的狭义相对论已经被无数的物理学实验所证实,但广义相对论作为一个在弯曲时空上的结构性理论,其与其他在平坦时空上的物理理论(包括狭义相对论)都是不同的,因此广义相对论到底是不是一个在时变强引力场下依然有效的物理理论,一直缺乏更多高精度物理实验的检验。

对于爱因斯坦的广义相对论方程为什么是对,以及理论物理研究与科普等问题,"蝌蚪五线谱"独家专访了广义相对论专家、北京师范大学物理系青年教师张宏宝。

张宏宝在晨兴数学中心(张轩中|摄)

张宏宝老师与蝌蚪君见面的地点被安排在中国科学院晨兴数学中心,这是由国际著名大数学家丘成桐主创的数学中心,里面十分安静,有很多大黑板可以使用。张宏宝笑哈哈的说:“做理论物理的都喜欢在有黑板的地方呆着!”

故乡在安徽六安

张爱玲曾经有一本很有名的小说叫《半生缘》,也叫《十八春》,这本小说里经常提到一个地方,那就是安徽六安。张宏宝告诉蝌蚪君,他的故乡在安徽六安,“那里是大别山区,是一个不太富庶的地区,最近习近平主席刚去安徽金寨贫困县考察,那也在六安。”张宏宝还有一个妹妹,家里的父母都是老实巴交的农民,也以忠厚善良乐于助人获得乡人的敬重。

六安农村一景(图片来源网络)

蝌蚪君:“1996年,你在六安的舒城中学毕业后考到了北京师范大学读大学?”

舒城中学是安徽省历史最悠久的三所中学之一,其创始人是电影明星王祖贤的先祖。 另外两所安徽的历史名校是合肥一中以及桐城中学。

张宏宝:“是的,刚来北京的时候,一边读大学一边还做点家教,农家子弟嘛,在北京自己赚点生活费减轻家里的负担。”

张宏宝在北京师范大学读本科期间,就听了物理系梁灿彬教授开设的研究生课程《微分几何入门与广义相对论》,这为他后来的研究生涯打下了很好的基础。梁灿彬先生也在公开场合多次坦承“张宏宝是我教过的最好的学生之一”。

研究生阶段

从北京师范大学物理系本科毕业后,张宏宝来到了北京大学物理学院跟高崇寿教授读粒子物理方向的硕士研究生。高崇寿教授早年曾经在杨振宁所在的纽约大学石溪分校做访问学者,水平极高,对群论与粒子物理有很深的洞察,张宏宝说:“我很感激高崇寿老师在我硕士阶段给我自由探索的空间, 培养了我独立科研的能力。”

2003年,张宏宝从北京大学硕士研究生毕业,拿到美国大学的全额奖学金准备出国,但因北京的非典, 导致签证屡签不过。后来在赵峥教授等人的帮助下又来到北京师范大学相对论组进行“硕士后”研究,参与相对论小组的讨论。2006年,霍金访问中国,张宏宝与霍金见面,还与霍金进行交流。张宏宝问霍金是否相信人择原理,霍金因为用眼睛打字,回答问题很不方便,虽然霍金汗流浃背努力了十来分钟,只向张宏宝解释了什么是人择原理后就不了了之。不过这次与霍金的见面也给张宏宝留下了深刻的印象,他心里想,自己以后也要成为霍金那样既做研究又做科普的人。

张宏宝与霍金交流(孙桂钧|摄)

2007年,张宏宝获得北京师范大学与加拿大圆周物理研究所的博士生联合培养计划资格后出国,在加拿大读博期间,他真正开阔了眼界,觉得过去的自己俨然是个井底之蛙。

张宏宝:“圆周物理研究所是由黑莓手机的老板捐资设立的私人研究所,我当时在那里感受到一种很自由的学术氛围,我觉得中国也应该鼓励这样的私人研究所的设立。”

蝌蚪君:“黑莓的老板每年给圆周研究所投多少钱?”

张宏宝:“差不多几千万(人民币)吧,做理论物理不需要太多的钱。”

蝌蚪君:“霍金也算是圆周研究所的研究人员吗?”

张宏宝:“原则上是的,他也在那里领该领的薪水,有时候会去那里。圆周研究所目前已经成为全球理论物理的三大研究所之一,其他两个是普林斯顿高等研究院、圣巴巴拉卡弗里研究所。”

张宏宝在加拿大做了几年研究后,得到博士学历后到欧洲的希腊与比利时从事博士后研究,主要研究领域集中在理论物理的数值广义相对论与黑洞全息原理等领域,“基本上,我做的事情简单地说就是GR=RG”。说完这句话,张宏宝在黑板上写下了GR=RG的公式。

全息原理:GR=RG

大概在1990年代,国际理论物理界出现了一颗超新星,那就是阿根廷的英俊青年马德西纳,他提出一个叫做AdS/CFT的对偶理论,简单地说也叫全息原理,可以把低一维的强耦合的规范理论用高一维的弱耦合的引力理论来处理,这种“增加维度解决本来不可能解决问题的方法”被称为理论物理的一大革命。马德西纳本人也因此在普林斯顿高等研究院获得永久职位,而且也因此获得了最近的“科学突破奖”。

蝌蚪君:“全息原理看起来并不十分自然,因为高一维的空间是反德西特空间,这反德西特空间好像并不描述我们真实的世界。”

张宏宝:“你可以把反德西特空间理解为数学上的一个技巧,这有点象我们在复变函数中处理积分的所谓留数定理。本来我们在实数轴上积分,后来我们跑到了高一维的复平面上,很好地解决了积分问题。”

蝌蚪君:“这个比喻很好,在复平面上我们有了留数定理,那么在高一维的反德西特空间,我们用来处理什么样的强耦合问题,能举个例子吗?”

张宏宝:“比如氦4的超流问题。氦4的原子核质量比较大,动能比较小,比起来,相互作用势能更大,所以在凝聚态物理中,这是一个强耦合问题,我们不能用一般的微扰论,但可以把这个问题用AdS/CFT的方法放到反德西特空间中用引力的方法去解决。”

张宏宝认为,原来爱因斯坦的广义相对论是描述引力的,现在因为全息原理,广义相对论居然也可以描述没有引力的体系,物理世界被进一步统一了,这太美妙了。

GR是广义相对论的简称,而RG是重整化群的简称,在全息原理的意义上,张宏宝把它表示为GR=RG这样优美的公式。正是这如同欧拉公式般的简洁优美,吸引着张宏宝从在欧洲做博士后以来,一直专注于AdS/CFT的研究。

宇宙微波背景辐射的兄弟

张宏宝不但对全息原理有很深的研究,他还对中微子有很大的研究兴趣。在加拿大读博士期间,就写了一篇很有原创思想的关于中微子的文章,那个文章主要谈到宇宙微波背景辐射的兄弟——宇宙的中微子背景辐射。这个文章是张宏宝的代表作之一,发表在JCAP期刊上。

“简单地说,那是因为中微子是有质量的,所以中微子的速度可快可慢,不象光子那样只能以光速运动,因此宇宙的中微子背景可以携带三维的信息。”张宏宝说。

最近因为大亚湾中微子实验已经取得了很好的成绩,江门中微子实验正按部就班地进行,因此可以想象,如果张宏宝所倡导的宇宙中微子背景辐射可以被江门中微子实验检测,这将是一个有趣的发展。

从事科普与教育

张宏宝老师不但做研究,还从事科普与教育工作。在这期间,他与别人合作开设了一个叫做“不只是科普”的微信公众号,这个微信公众号介绍一些前沿的科学理论与知识。

他在北京师范大学继承了原来由赵峥教授讲授的《从爱因斯坦到霍金的宇宙》的公共选修课,附近几所高校的大学生也会去听讲,每次都有上百名的学生听他的课程。在这个课程中,张宏宝希望教授给大家一种“数量级估计”的方法, 从而让大家能够以一种理性且批判的态度对待各种数据。比如,他曾经在课堂上估计了为什么 说“五百年前是一家”这个说法是正确的,就是利用了2的指数次方迭代的方式来做估计:因为每个人都有父母,就是2个人,朝上推就是外公外婆祖父祖母,一共4个人,是2的平方 ,继续朝上推就是2的N次方。以20年为一代,500年大概是 25代,2的25次方已上10亿了,完全可以覆盖当时的人口数量。

张宏宝在国外研究所讲课(图片来源网络)

张宏宝告诉蝌蚪君,作为一个研究与教育者,自己也与国际同行组织一些关于数值相对论与全息原理的国际会议,他的理论物理与科普事业是没有国界的。

本篇采写 蝌蚪五线谱 张轩中

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