Polchinski自传的一些笔记


2016年的“基础物理学突破奖”颁发给了三位弦理论家,共享300万美元。三位获得者分别是Joseph Polchinski,Andrew Strominger和Cumrun Vafa,以表彰他们在弦理论及其对黑洞、宇宙的意义方面取得重大突破。实际上,在2015年,Polchinski就已经患了脑癌(他自己写为brane cancer),做了好多次手术,丧失了研究理论物理的能力。他写了一本自传,今天贴到了arxiv,[1708.09093] Memories of a Theoretical Physicist,里面有很多有趣的故事。我分享在这里。

Polchinski他从小就有超常的智力。六岁时就痴迷于阅读科学画报,所以做错事受到的惩罚,就是不给他买最新一期的科学画报。他中学时所学习的最高级的数学是高等代数,由他们学校的足球教练授课。这自然不能满足他的求知欲,于是就去大学里旁听微积分,却大受打击。后来自学群论,也没有成功。于是高中有两年没有学新的数学。他业余喜欢读科幻小说,下国际象棋等等。去加州理工上大学后,完全被物理迷住了,于是再也没有碰过棋盘。

在加州理工期间,费曼是他的偶像,索恩是他的新生导师,他的同学Zajk是天才的物理少年,刚刚入学,就已经读完了三卷本的费曼物理讲义。在同辈压力下,他疯狂的学习物理,并参与到科研实习中去。在伯克利念博士期间,他选择了一个爆难的题目,结果一篇论文都没有发表,只写了一篇毕业论文就毕业了。还好,在导师的强力推荐下,仍旧获得了斯坦福的博士后职位。第一个博后,两年期间也只写了3篇论文。但仍旧获得导师强力推荐,拿到了哈佛大学的博后职位。他哈佛的博后老板见到他的第一句话是,哦Polchinski,我知道你是那个不喜欢写论文的家伙,让我们开始写点论文吧。于是,两个月后他在哈佛的第一篇论文就完成了。这之后他才开始持续的产出研究论文。在回忆他早期的这几篇论文时,通常的口吻都是,这工作三十五年来只被引用了三次……

他的助理教授是在德州大学奥斯丁分校拿到的,属于温伯格领导的研究组。那里有很多人研究弦论。他当时指导了不少中国学生。再提到一篇与学生合作的论文时,他很有歉意,因为他没有按照字母顺序把学生放到第一作者,而是自己作为第一作者。因为他做得太快了,把绝大部分工作做完了,论文也几乎是自己写完的。他后来反思,这样对学生并不好,无法让学生得到训练,也没有拿到足够的学术上认可。他在德州带的学生大部分都转行没有继续做物理了。实际上,后来他在D膜上的突破,革命的种子就是埋藏在德州的这几个与学生合作的论文中。可惜他太过于害羞和内向,并没有到处宣传自己的工作,让他人关注,否则他对物理学的推动力会更早体现出来。

Polchinski也做过一些与科幻有关的研究,比如说跟虫洞时间旅行有关的Polchinski悖论和超光速通讯的EPR电话。温伯格为了探寻量子力学是否必然是线性的,构建出了一个一般性的非线性方程,可以与实验相比较。为了满足实验数据,方程的非线性必须很小。Polchinski研究之后发现,如果量子力学是非线性的,那么EPR悖论中的超光速信息传递将会是不可避免的。如果要想避免这个问题,那么量子力学的多世界图像中,不同的波函数分支(世界)之间就不可避免的能够通讯。也就是说温伯格的非线性量子力学方程将允许我们建造出EPR电话,实现超光速通讯,或者可以做出Everett电话,实现不同世界分支之间的通话。读者们,请尝试一下,看看你能否找到Polchinski证明超光速通讯EPR电话的思路。

经历了几年在德州大学奥斯丁分校温伯格研究组的助理教授生涯,他搬到了UCSB。Polchinski一直确信自己很聪明,研究物理学,是希望能够回答世界最基本的问题。但是1988年36岁时,他发现自己仍旧没有做出任何改变理论物理学发展方向的工作,与同辈人比如Witten相比,他对物理学的贡献不值一提。于是他决定写一本弦论的教科书,这本书花了他八九年才写完。在他四十岁之后,写书的过程中,他有关D膜的论文终于震撼了弦论学术界,促成了第二次弦论革命。后来他又写了弦多重宇宙理论和黑洞火墙,都震撼了整个领域。正当他处于研究黑洞火墙的高产期时,脑癌击垮了他,终止了他的学术生涯。

如果Polchinski在四十岁时就患上脑癌,失去科研能力,那么他也不过就是一个优秀的理论物理教授。可是四十岁之后,他终于爆发出无与伦比的创造力,成为一代宗师。真可谓是大器晚成!他在回顾自己的研究风格的时候,说自己对于热门研究都是跟得很慢的。那些所有人都能做的题目他不会去做。一般都是等风潮过去后,他去看看有没有遗漏的好东西。但不要以为接近40岁还没有发表重要学术论文你,也能成为下一个Polchinski,他可是被温伯格和Witten都称为自己见过的最聪明的人。

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带学生做科研的体会


我工作的清华大学,聚集了中国最聪明的一批学生。从2013年开始,我已经带了不少本科生做科研训练,毕业的本科生也有五六人了,他们大都跟我合作撰写并发表过论文。目前在我组里面参与科研的本科生,还有三、四位。总体而言,我对学生们在科研上的表现非常满意。希望学生们对我的指导也能觉得有收获。实际上,首次收到学生的主动联系,要找我做科研时,是很忐忑的。对科研,我自己都还在摸索之中,能带好学生吗?还好,教学相长,我与学生一起进步,下面是一些经验体会。

跟我做科研的学生,大都是主动联系我,有很强的科研积极性。经过这天然的筛选之后,我不用担心学生的天分与投入问题,只需要根据每位学生自身的特质和基础来设计寻找合适的研究题目即可。学生加入科研的年级各有不同,我带过的学生有大三开始科研,也有大二、大一开始,甚至还有高中生。这就意味着,要带着他们做科研,选择合适的题目着手,就是最重要的事情。所以每当学生找我,希望做科研,我都会跟他们仔细的聊聊,了解他们的背景和兴趣点所在,然后有针对性的建议他们开始学习相关的专业课和阅读专业文献。在学习和做研究中遇到问题,要及时的讨论解决。

为什么本科学习就要进行科研训练呢,会不会是揠苗助长?当然不是。本科的学习已经逐步触及人类知识的边界了。很多专业课程,某些内容稍微往前走一点,就是科研的前沿课题。要想学好知识,必须要真正会运用它来解决问题。会做考试题,与会运用所学的知识来扩展人类知识的边界,对学生的训练和提升不可同日而语。我同事给本科生开的课程,都与自身的研究相关。他们想尽办法把课程与最前沿的科研对接起来,促使学生们不仅要学好课程知识,还要学会如何应用知识,去解决学术前沿中的问题。比方说课程会设置若干个大作业,等于是一个个小论文。大作业的题目,很多是老师从前沿科研问题中搜集来的。优秀大作业论文,稍加修改,就可以作为论文投稿学术会议。

受到这些经验的启发,虽然面对的只是本科生甚至高中生,但是我找的研究题目,都是最前沿的。我相信只有通过这些问题,才能真的发挥出他们的潜力,才能起到培养学生的目的。而我自己,也可以通过这个过程,来开拓研究方向。比如说,量子纠缠历史这个研究题目,就是我让一位大三的本科生做的。进一步深化和完善量子纠缠历史的研究,正好又遇到有个高中生科学夏令营,我让两位高中生尝试做这个题目,也取得了很好成绩。

选择题目的时候,还得注意随时调整。课题的前沿性与学生本身的能力、背景知识要匹配。如果发现不合适,要能随时的找到相近的题目作为后备。最好能在合理的时间内完成项目,让学生得到正面的激励,本科生与博士生不同,他们的本职工作是学习课程,做科研训练是额外的。所以,不能找那些明显看不到头的探索性题目给本科生,否则很可能还没有任何进展时,就耗尽了他们对科研的兴趣。其实积累与产出很多时候是一对矛盾。好的题目需要长时间的学习积累才能有产出,但是本科生的时间有限,所以不能做。而不需要太多积累的题目,却常常很难有好的产出。

我带过的学生不止来自清华,还有外交学院的文科生,有西安交大的,有北京邮电学院的,有本科生,有博士研究生,甚至还有高中生。他们背景,基础等差别很大,但只要投入足够的精力,选择合适的题目,他们大都能在科研课题上取得很好的进展。在这个过程中,他们自身的能力也会取得极大的提升。我的体会是,要相信学生的创造力,相信他们的能力。作为老师,最大的责任就是激励学生超越自己,实现知识的传承与发扬。要有发自内心的鼓励,才激发学生无穷的动力和创造力。

英才教育需要结合科研的超前学习


我与张捷兄认识很久了,他是名门后代,祖父张文佑,外祖父赵九章,父亲张肇西都是中科院院士。张捷兄中科大物理系毕业,后来从事过核物理、半导体集成电路、律师、房地产投资、文化传媒等行业,堪称传奇。他有一儿一女,比我的儿子大几岁。我们聊天时,经常涉及到了家庭教育,张捷兄的育儿经验让我受益良多。最近听说他要把这些经验与理念写成一本书《拼娃》,去影响更多的人,这真是非常好的事情!

在我看来,他的育儿理念远远超越了家庭教育的范畴,而与家国天下联系在一起。从大的方面来说,国与国之间的教育竞争,某种程度上,也是在拼娃,比拼的就是国家下一代人才的厚度和高度。教育有很多个层次:义务教育、普及教育、超长教育和高等教育等等。不同的层次,有不同的目标。国与国之间的教育竞争,义务教育是基石,而高等教育则是核心。到了高等教育阶段,教育与科技创新是融为一体的,一流的高等教育,能够让潜在的人才脱颖而出,发挥出最大的能力。而一流人才把创造力发挥出来后,会极大的提升所在国家的科技实力,在国际竞争中占得先机。

过去4年,我担任了清华大学计算机科学实验班“姚班”2013级的班主任。清华大学计算机科学实验班是计算机研究领域最高奖图灵奖获得者姚期智院士2004年回国后在清华大学工作后创办的,目的是改革中国计算机高等教育的培养模式,探索培养计算机领域的顶尖人才。从姚班创办之初,就吸引到了中国最好的计算机与信息科学方面的天才学生。结合我的姚班班主任的工作经验,我极为认同张捷兄的一个观念,那就是教育要发挥人的特长,对于自身感兴趣与有特长的领域,要超前学习,才有希望取得超越前人的成就。

作为班主任,我与2013级姚班的学生有很多接触与交流,从他们身上看到了无穷的潜力。这些学生最大的特点就是主动地超前学习:大一念大三、大四的专业课,大二念研究生专业课,还拿课程的最高分,是非常普遍的事情。姚班大部分生源都是竞赛生,他们在高中时就自学了很多大学的数学与计算机专业课程。因此,对他们来说,超前学习是从中小学就养成的习惯。正是因为超前学习,使得他们在大二就能开始进行科研训练,参与最前沿的项目。到了大四上学期,班上的同学,大都做出了很好的研究成果。个别突出的人,已经发表了好几篇高水平的论文,并有多篇论文投稿中。据统计,截止大四上学期末,全班三十余名同学,一共发表和投稿的论文已经超过七十篇。

为了能够发挥出姚班学生的潜力,学校还投入了大量资源资助他们去欧美一流的研究机构交流学习。要培养顶级的人才,最好的办法就是去顶级人才那里与他们朝夕相处,向他们学习。这些学生们也不负众望,做出了顶尖的成绩。一位学生去美国麻省理工学院访问时,写了四篇论文,解决了理论计算机领域的一个多年的难题,被麻省理工的指导教授称赞为他所遇到的最出色的学生。

清华大学姚班的创办与实践,证明了中国也能办出一流的计算机本科教育,从而吸引最顶级的学生加入。跟张捷兄聊到教育时,我们都认为,国与国之间的教育竞争是极为激烈的,中国必须要办出一流的教育,否则自身的人才就有可能被国外的教育给吸引出去。实际上,国外的大学已经直接来中国招生,试图挖掘和吸引最优秀的中学生了。如何提升中国高等教育的吸引力,是摆在我们面前的一项难题。

2016年暑假,我作为导师,参加了在清华举行的RSI科学夏令营。这个项目是美国的CEE(Center for Excellence in Education)与清华合办的。CEE在美国与麻省理工学院合作办了很多年的RSI,通过一个半月的夏令营项目,从高中生中选拔出具有自然科学方面的科研创新潜力的人才,并推荐他们可以美国的一流名校念书。从2015年开始,清华大学与CEE合作办中国的RSI。这些入选的学生,将会上一个星期的前沿科学课程,然后在接下来的六周里面,加入清华大学的某个实验室从事科研训练。通过这种经历,可以增长学生的见识,并获得清华大学教授的推荐信,提升他们被美国一流大学录取的概率。

在夏令营期间,有两位高中生跟着我做科研。这两位学生基础和天分有差别,所以类似的研究题目,最终的成绩差很大。其中一位学生在短短的一个月内就做出了有趣的工作,具有非常好的数理科研天分。苏格拉底说过,教育不是灌输,是点燃火焰。我希望能提供更多的帮助,让他们在这短短一个月的科研训练的中能够有所收获,激励自己,找到自己的兴趣,发现自己的潜力。哪怕最终并没有太多进展,但是能在高中时做一些前沿的研究题目,本身就是非常难得的经历。

年轻人要迅速成长,最好能尽早从事有挑战性、需要创造力的工作,即使遇到困难,也不要轻言放弃。发挥创造力解决困难的过程,就是年轻人成长的过程。如果我们去看美国的科研领军人物的简历,会发现其中很多人在中学时就进了实验室,有了科研经历。比如说,Frank Wilczek,麻省理工学院物理系教授,诺贝尔物理奖获得者。50年前,他就参加过西屋青少年科学竞赛(现名为英特尔青少年科学竞赛),拿到了第四名,并去了芝加哥大学念书。22岁时,他就做出了让他获得诺贝尔奖的工作。最近风头正劲的麻省理工学院生物学教授张锋,11岁移民美国,高中时就进了当地某大学的实验室,1999年参加了在麻省理工学院举办的RSI训练营,2000年获得英特尔青少年科技竞赛的的第3名,并被哈佛大学录取。后来他在光遗传学和基因编辑工具CRISPR-Cas9等技术上都做出了杰出的贡献。

从上面可以看出,美国顶尖的科技人才,很多是通过这种针对青少年的选拔计划脱颖而出,得到重点支持,进而在年轻时就做出引领世界科技发展的研究的。中国也有类似的项目,比如说中科大的少年班,北京八中的天才班等。但受限于中国整体的科教实力和发展水平,这方面的探索多年来只能限制在很小的范围内。

近年来,随着中国整体实力的增强,很多高中的教学科研条件也让人刮目相看。跟我做研究的高中生,他们学校就有量子密码的教学实验仪器,供他们学习和钻研。在来清华参加RSI夏令营之前,他对量子信息相关的背景知识,以及一些基本的实验和理论都有了初步的了解,因此才能在短期内在课题上取得很大的进展。据我所知中国能为学生提供探索性研究平台的中学越来越多。比如说人大附中这样的顶级中学,最近招收的老师,都是清华、北大,乃至海归的博士。张捷兄曾与我们讨论过这个现象,他认为只有经过了一流的科学研究训练,才可能给中学生们提供高水平的研究和探索类课程,培养出更高水平的人才。如果以后中国的中学里都能有前沿的设备和高水平的教师,与大学的教育无缝连接,培养出来的学生前途将不可限量。

2017开始了


18年前,1999年,我十七岁,参加高考,遇到了《假如记忆可以移植》这个作文题。当时的我,并没有给出很好的答案。这道题一直留在我心中,有意无意间,我用了十七年对物理学的求索来解这道题,终于在写了一篇量子隐形传输细菌内部状态(记忆)的论文,侧面回答了这道题。这对于我,是一种人生的圆满。

1999年,我十七岁,开始了自己独立的大学生活。离开家门前,与亲戚们一起吃饭,还记得曾经被告诫说不要参加学生运动,要老老实实读书。老一辈人被各种运动搞怕了,可以理解。现实是,这十几年,运动再也没有了,我老老实实地集中精力念书,学习和工作。

政治运动没有了,商业氛围却是越来越多。还记得,那年的跨年夜,我与大学同学们一起去西安城里,钟楼附近北大街上看烟花,参加庆祝活动。直到深夜,最后一班公交车都结束了。我们坐上政府临时征集的公交车,回到了交大北门,然后翻越大门回的学校。千禧年开始了,我也十八岁了。还记得当时各种世界末日的传言,电脑系统也有千年虫的警告。最终证明都是谣言。就这样,甩开了各种谣言和喧嚣,带着对新世界的好奇与野心我开始了自己的成年生活。从十七岁离开家乡,到现在,我在外地的时间已经超过了在家乡生活的时间。这十七年我学习,拿学位,工作,结婚生子,一切都是按部就班。可同时也在四处的漂泊,在很多城市生活过:西安,美国安娜堡,武汉,合肥,北京。我的经历已经远远超出了在家乡那些年。每隔一段时间回到家乡,发现家乡也在缓慢的变化,于是我再也回不去记忆中的家乡了。

十七岁离家,是我的”第二次出生”。从那时候起到现在,2017年,我又一次成年了。2017对于我的意义也就在于此。

人生的际遇啊!


关于对撞机,据说中科院大学吴宝俊有一个“建议”: 建议政府有个长远的眼光,先拿一笔钱出来在北京海淀和西城买几百套学区房囤着。等将来要建对撞机的话,卖二十套出去,钱差不多够了。搞引力波,卖五套出去,钱又够了。量子通讯再发新卫星,卖两套,钱又够了。。。。

人的成就啊,得看聪明才智,可有时候也得败给命运。最近对撞机大讨论,一位知名的华人物理学家戴自海也出马了,回顾了他当年与杨振宁的争论。杨振宁在四十年前,就认为高能物理没有前途,不建议年轻人做这个方向。

戴自海本来是有希望拿诺贝尔物理奖的,暴涨宇宙学的发明本来应该有他的一半贡献。近四十年前,他与阿兰.古斯都是康奈尔大学博士后。受到戴自海的影响,阿兰.古斯对宇宙学感兴趣,进而发展出了暴涨的概念。

就在这个关键的时候,1979年,戴自海回中国待了六周,错过了这篇关键的论文。实际上,戴自海是回国参加由杨振宁李政道等组织的一个会议。后来阿兰 古斯也承认,如果不是戴自海回中国开会,那篇暴涨宇宙学的论文他肯定是合作者。戴自海对错过了暴涨理论也很懊悔。

而阿兰.古斯,MIT物理博士毕业后辗转若干个机构做博士后九年,一直没有找到教职。直到提出暴涨理论后爆得大名,很快回到MIT任副教授,走上人生巅峰,现在已经被看做是物理学诺贝尔奖的有力候选人。

另外还一位因为度假错过诺贝尔物理奖的华人物理学家,徐一鸿(A Zee)。徐一鸿很早就有渐进自由的想法。他计算了除非阿贝尔理论以外的场论的耦合常数,都没有发现渐进自由。算完这些之后,累坏了,就拉着老婆去度假了。而后不久,David.Gross等三人计算了非阿贝尔的情况,并且发现了渐进自由,并且于2004年获得诺奖。

推荐学生的文章


我的学生徐启东刚刚写了一篇文章,介绍他转专业的经历:关于转去物理的二三事 ,强烈推荐!去年徐启东第一次给我发电子邮件,询问我的某篇论文的细节问题,表明了他是英语系自修物理的背景,以及想跟我做点科研训练。我认识一些转行念物理的朋友,但是从纯粹的文科专业转学物理的还没碰到过。只听说过Witten是从历史转物理的,但他父亲是理论物理学教授,研究相对论,家学渊源常人难及。所以读完徐启东的邮件我也有些顾虑。抱着考察他的目的,我回信让他去读我另外一篇相对简单和讨论详细的论文。结果他表现出很强的自学能力,甚至很快就学会了用软件包来进行数值模拟。于是我让他加入了我的研究小组,每周跟我讨论一两次。

他很快进入了科研状态,我很庆幸,没有错过这样一位有天分的学生。学生也许需要老师来指指方向,年轻老师同样需要学生才能成长起来。真正有天分、实力和坚强意志的学生,不难找到欣赏他的老师。徐启东当初选择联系我,也是我的幸运。在他拿到美国常春藤大学物理系的博士研究生offer之后,我就鼓励他把经历写出来,给他人参考,也给自己一个总结。我读完了他的经历,才知道他的成绩的由来。他能够从物理学中发现美,找到自己的学习研究的激情,从事自己真正醉心于的事业,形成正反馈,最终实现了从英语本科生到理论物理博士生的跨越。

年轻的时候,你内心深处自己希望成为什么样的人,如果始终把这份心愿留在心底,那么你就会自觉的去靠拢它,寻找各种机会去改变和提升自己,后来你甚至会发现很多机会自然地就出现了。这样积累十年,二十年之后,你就会慢慢变成自己理想中的那种人。我想,徐启东的经历会激励更多人去追寻、找到并牢牢抓住自己在事业上的梦想与目标。

入选春季科技新锐人物


知社学术圈微信号最近评选了2016年春季科技新锐人物,我有幸入选候选人,第20号,大家可以关注微信公众号之后,去给我投票。(投票已经于18日截止,谢谢)

首次提出活体微生物的量子态叠加,纠缠和隐形传态方案 (Science Bulletin)

入选工作:Quantum superposition, entanglement, and state teleportation of a microorganism on an electromechanical oscillator, Science Bulletin. 61(2), 163-171 (2016). doi: 10.1007/s11434-015-0990-x

尹璋琦, 清华大学交叉信息研究院助理研究员。2003年西安交通大学毕业,2009年获得西安交通大学博士学位。在Science Bulletin发表论文,提出把一个低温冷冻保存的微生物放在一个电机械振子上来实现活体微生物的量子态叠加,纠缠和隐形传态。因为微生物的内部状态包含信息,这个方案能实现两个微生物之间信息和记忆的量子隐形传态,引起国际学术界和新闻媒体的广泛关注和报道。

有关我入选的这个工作,我已经写过一系列文章来介绍,就不赘述了。