就是現(xiàn)在馬斯克喜歡說的“第一性原理”。實際上不止物理，很多雜亂無章的事情背后都有一個基本的原理，它往往是非常簡潔的。從這個簡潔的原理出發(fā)，就可以逐漸演繹出所有。這一點會令人覺得非常震撼，也非常神奇。而且這種簡潔，天然就是有美感的。

我們做基本粒子的很多人都支持還原論。還原論有兩類，一類是說任何一個系統(tǒng)背后都有一個基本的原理，從原理就可以演繹出來所有；另一類更淺一些，是說大的東西是由小的組成的，無限可分的。所以做理論物理的人，對于任何一個系統(tǒng)，都要去追求它背后基本的那個東西。

而對這個基本的東西也有兩種不同的理解。一種是像亞里士多德那樣，認(rèn)為第一性原理有著至高無上的地位，甚至是充滿神性的， “神性無所不在，就在那自然之中?！蔽覀儧]有辦法對第一性原理再追問為什么，因為它已經(jīng)是第一性原理了。另一種像楊振寧先生那樣，認(rèn)為這么優(yōu)美的第一性原理，一定是由一個超自然的造物主創(chuàng)造的。所以某些圈外的人認(rèn)為，他們信宗教、信神之類的。楊先生倒不否認(rèn)這個，但是他說這個造物主和宗教里面擬人化的神是不一樣的，而是說這個基本的原理這么神奇，如果沒有一個超自然的力量，這是很不可理解的。因為人已經(jīng)能夠理解到有這么一個原理，所以總是覺得說我們還應(yīng)該能夠更進一步理解，那更進一步理解就是有一個造物主。

嗶哩嗶哩楊振寧院士：世界存在造物主，整個世界的結(jié)構(gòu)不是偶然的小程序

所以我覺得理論物理的美，就是自然界本身的美。如果真的有一個造物主，它有能力去控制基本原則，在一個美的原則和一個丑的原則中選擇，那它一定會選擇美的。因為我們已經(jīng)賦予了它最高層次的智慧，如果選了丑的，那顯然和我們賦予它的性質(zhì)不符。

從宇宙大爆炸一直到現(xiàn)在，一百多億年這么長的時間，都可以用數(shù)學(xué)來描述清楚，我覺得這個是最神奇的地方。

物理是描述自然界的最基本的一個原理。我們可以通過物理學(xué)的學(xué)習(xí)上知天文，下知地理，對很多事情都可以有一個比較科學(xué)的認(rèn)識。物理學(xué)確實是可以推動這個世界的進步的，相當(dāng)于是創(chuàng)造了真正的生產(chǎn)力。真正可以改善人民生活的就是最基本的科技發(fā)展，這是跟物理非常相關(guān)的。現(xiàn)在的很多進展，或多或少都會用到物理的基本原理，所以這也是學(xué)物理比較自豪的一點，就是感覺比其他學(xué)科更有助于人類進步。

物理學(xué)還有很多未知值得去探索，比如高溫超導(dǎo)機理，是《Science》評出的尚未被解決和最重要的100個科學(xué)問題之一。這也是我們課題組目前關(guān)注高溫超導(dǎo)薄膜材料原子尺度制備和探究的重要原因。

科學(xué)的本質(zhì)是探索未知，物理學(xué)更是從根本上、從原理上去探索新的物理機制，是從0到1的一種突破。關(guān)于物理學(xué)中的美，做顯微學(xué)的老師會關(guān)注微觀狀態(tài)和形式，我們更關(guān)注宏觀的輸運特性。就是說，我們不去看單個原子是什么狀態(tài)，而是去研究樣品的宏觀特性，比如給薄膜通電流看它的電學(xué)響應(yīng)。電學(xué)輸運最美的地方可能就是量子化平臺了。一般來說，對于電阻，我們可以在買到任意阻值的電阻，但是在具有一維手性邊緣態(tài)的體系中，我們測量邊緣態(tài)的霍爾電阻，就是一個量子化的數(shù)值，是普朗克常數(shù)除以電子電荷量的平方（h/e^2）。這兩個常數(shù)看起來沒有任何關(guān)聯(lián)，但得到的量綱卻是電阻的量綱，而這個阻值我們可以在樣品中精確測到。 

量子反?；魻栃?yīng)中的量子化霍爾電阻平臺

物理之美是我們可以通過觀察、實驗，理解物理學(xué)的基本原理，然后探索新的知識。我們做理論可以和實驗合作，觀察他們所得到的實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)我們相應(yīng)的理解，到底是不是自洽的，是不是正確的。如果發(fā)現(xiàn)實驗中一些特別奇妙的現(xiàn)象，就會有動力去解決它，去驗證它。

而且，物理其實還可以幫助我們?nèi)ソ鉀Q一些相應(yīng)的工程問題，比方說在16世紀(jì)、17世紀(jì)，人們在找永動機。永動機如果找出來，我們沒有能量就可以運動起來。雖然說永動機沒有找到，但是我們就催生了熱力學(xué)第二定理的這種發(fā)現(xiàn)。再比方說現(xiàn)在，我們這個領(lǐng)域里邊有個非常火的概念叫量子計算，到底量子計算機能不能做出來呢？有些人認(rèn)為它可能做不出來，有些人認(rèn)為它可以做出來，但是我認(rèn)為這個東西是值得去做的。如果能做出來，我們可以改變世界，但是如果它做不出來，我們希望能夠從原理上理解它為什么做不出來，它會不會相當(dāng)于是四五百年前的永動機一樣。那么它如果是做不出來，我相信肯定會帶來新的原理性的這種突破。

我想物理研究者的欣喜大約都可以被歸納在兩方面，一方面是“預(yù)想成真”的成就感，另一方面是科學(xué)研究中的“意外之喜”。

關(guān)于“預(yù)想成真”，也就是所謂的Eureka時刻。是指在有一定知識的積累下，比如經(jīng)過博士、博士后期間的不斷學(xué)習(xí)，可以設(shè)計一些實驗、預(yù)言一些可能的材料體系，在付出了很多努力和失敗后，終于得到了預(yù)想的結(jié)果，這些結(jié)果可大可小，在完成的那一刻的滿足感是無以倫比的，帶來的正反饋也是巨大的。有意思的是，我所知道的很多人的這些時刻往往是某個寧靜的深夜，或是某個黎明時分。或許這也是天道酬勤被廣泛提及的原因，又或者是別人都睡了，儀器噪音比較低。一個例子是我們2019年發(fā)現(xiàn)的一個可以承載馬約拉納零能模的新材料，看到那個材料的結(jié)構(gòu)后，我就堅信在它的磁通渦旋中心可以找到馬約拉納零能模。但尋找的過程卻異常困難，幸虧我有一個非常有天賦的學(xué)生——袁永浩，他的理論功底、實驗技能以及科研的韌勁都很出色，這也使得我們在不斷的失敗后，依然能夠信心滿滿的不斷嘗試。我和他至今都記得在大量的數(shù)據(jù)中找到零能模的蛛絲馬跡，捅破那層窗戶紙后的喜悅。

關(guān)于科研中的“意外之喜”，是指在追尋預(yù)設(shè)的目標(biāo)時，有了新的預(yù)料之外的發(fā)現(xiàn)。薛其坤老師在我還是學(xué)生時經(jīng)常對我說，有天賦的研究者，往往能把一棵小樹苗做成參天大樹，生出無數(shù)的枝蔓。在這方面，我獨立從事科研的時間還比較短，還需要繼續(xù)積累。但我想，這種意外之喜往往是顛覆性的大發(fā)現(xiàn)，科學(xué)史上很多大的發(fā)現(xiàn)往往是這樣產(chǎn)生的，希望大家也能遇到。

我跟我的學(xué)生經(jīng)常說，我們做實驗有的時候也很有趣，就像打游戲一樣，你在操控各種參數(shù)，然后去調(diào)控這里面的結(jié)果。有的時候它老也打通關(guān)不了是吧？某一天偶然試了一下，一個東西，突然就出現(xiàn)一個以前從來沒有想到的現(xiàn)象。這是實驗過程中出現(xiàn)的一些東西。然后反過來，你要搞清楚，它是怎么回事，像破案子一樣，就是你去理解它，最終把這物理搞清楚。這種反正很有意思。

物理的美體現(xiàn)在不同的層次上。

第一個是大的宏觀的層次上。物理是人類探索自然的一個最重要的學(xué)科，所以它讓你能夠持續(xù)地深入了解大自然的變化及其內(nèi)在規(guī)律，這個過程當(dāng)然是無窮無盡的。這是我覺得體現(xiàn)在大的宏觀層次上的物理的美。

第二個層次物理的美，其實還在體現(xiàn)在很多小的專業(yè)領(lǐng)域里面。每個同學(xué)可能都會在一個小的領(lǐng)域或者一個特定的研究方向，有些新的發(fā)現(xiàn)，不斷積累研究成果，然后在相關(guān)方面的行業(yè)工作取得成功，最后可以講一個很好的人生故事。

在我們追求物理的終極目標(biāo)的科研道路上，可能一直走不到盡頭。但是前進的路上，兩邊有很多的風(fēng)景很美，值得欣賞的。做物理，當(dāng)然不僅限于物理，其實做任何科學(xué)研究，都是一種探索過程。就像你去郊游一樣，你找到一個地方，你要有興趣去看看周邊的景色，去發(fā)掘一下，也許就能找到很多的讓你驚奇的地方。那么研究物理或者說科學(xué)研究可能最美的還是在這個過程中。這是我覺得要做好科研的一個比較好的狀態(tài)。因為你任何一個成果都是經(jīng)過自己努力獲得的，你會覺得值得珍惜，會覺得收獲沉甸甸的，內(nèi)心也就很快樂。

當(dāng)然，感受到物理的美之前，一定是經(jīng)歷過痛苦的過程才會收獲快樂。人不可能一直快樂，如果快樂變成常態(tài)了，你就沒有感覺了。所以每當(dāng)你感到痛苦的時候，意味著后面可能就有快樂的時光在等著你。

物理吸引人的就是它能夠給出一個相對來說比較確定性的答案，因為人總是會產(chǎn)生各種各樣的問題。搞數(shù)學(xué)、搞物理的人能夠給出一個確定性的答案，像我們這樣有點強迫癥的人是會比較享受這個。而像研究社會學(xué)、經(jīng)濟學(xué)，有些問題不是很確定，比如說研究股市或者研究經(jīng)濟學(xué)，沒有辦法確定性地預(yù)言它的行為。但我們的物理不一樣，只要計算能力足夠強，給你一個材料，哈密頓量寫得足夠精確，解哈密頓量的能力足夠強，那后面的物理行為或者它的性質(zhì)，我們基本上能夠做很精確的預(yù)言，這個是讓我們這種理工男會比較喜歡，就是那種有秩序的感覺。

物理里面最吸引人的地方，我個人認(rèn)為是實證邏輯，就是什么樣的問題，怎么去分析，怎么通過復(fù)雜的實驗數(shù)據(jù)，就是你看到的那些電子信號，最終一步一步地去反推到微觀世界里面，我們?nèi)庋劭床坏?，甚至實驗也觀測不到的粒子。這個過程我認(rèn)為是非常美的一個過程，就是如何從復(fù)雜現(xiàn)象里面總結(jié)出邏輯性最強的一個理論，又是最簡潔的。世界是豐富多彩的，但背后的基本原理應(yīng)該是簡單的，我認(rèn)為去探索這個原理的過程，本身就是很美好的。

物理學(xué)是有色彩的學(xué)科，物理學(xué)家不僅是理性的詮釋者，更是感性的表達者，他們用自己的方式表達對科學(xué)的審美態(tài)度。對于簡單而又和諧的自然秩序的感知，對于宇宙未知命運的永不終止的渴求，是他們投身物理的初心。

感謝清華大學(xué)物理系的老師們接受采訪

采訪｜安子訸 蔡暢 程強軍 程陽 馮睿哲 李昂 林起源 李相潔 雒佳欣 蘇鉑燁 孫澤洲 王笑晗 王詠薇 姚俊杰 張耀鵬 趙思逸 鄭瑩 朱群

文字｜蘇鉑燁 王笑晗 鄭瑩

審核｜李相潔 蘇鉑燁

編輯｜明志 風(fēng)遙

責(zé)編｜銹塵 齊齊 湖舟 勇舟