專訪杜祥琬院士：中國如何加入國際純粹與應用物理學聯合會？
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年前杜祥琬發表在中國第一本計算物理領域期刊，也是全球最早的四本計算物理專業期刊之一的《計算物理》上的一篇文章談起，分享了他發現非線性中子輸運方程、中國1984年10月加入國際物理學界最高組織IUPAP，以及IUPAP成立計算物理專業委員會這三件事背後鮮爲人知的故事。
談話中，杜祥琬院士還分享了他對於理論物理、實驗物理以及計算物理相互關係的認識，對於中國計算物理學科的發源地——中國工程物理研究院北京應用物理與計算數學研究所計算物理學科發展建設、以及《計算物理》期刊發展的殷切期待。
愛因斯坦說過，“一切偉大的科學成就都始於直覺的知識。”這期訪談啓發我們，即使在發展比較成熟的領域，老樹開新花也是常見的。在科學研究中，不能盲目跟隨，不要被過去的經驗所束縛，或是迷信權威，應當保持獨立思考的能力，重視科研直覺的價值。
撰文 | 劉潔（北京應用物理與計算數學研究所）、黃爍（北京應用物理與計算數學研究所）、崔磊磊（中國工程物理研究院戰略技術裝備發展中心）
自1984年創刊起，《計算物理》就承載着推動中國計算物理及相關學科基礎創新研究之重任。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“傳播計算物理領域前沿成果、促進計算物理學術成果交流、推動計算物理學科發展”的辦刊宗旨，爲我國計算物理以及相關學科的創新發展中發揮了重要作用。
最近，應主編江鬆院士的邀請，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》上發表的一篇論文談起，講述了三個鮮爲人知的故事。這裡，《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
應用研究中始料未及的問題，能夠推動基礎學科的發展。
在2021年9月18日舉行的第十三屆創新中國論壇上，中國工程院原副院長杜祥琬院士以《在應用研究中感受基礎研究》爲題，講了老周（周光召）和老於（于敏）的故事。報告中，除了兩彈元勳們的“大故事”以外，他還講述了一個“小故事”，這個故事與他38年前發表在《計算物理》上的一篇文章緊密相關。
故事緣起於一封信。最近，杜祥琬院士收到了他的第一位博士研究生李彬（現清華大學教授，博導）的一封信，並隨信轉寄了1984年發表在《計算物理》上題爲《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：清華大學工程物理系一位研究中子物理的老師在指導學生時，拿着這篇文章，對他的學生說：“搞中子物理，就要從這篇文章入手。先把這篇文章吃透，再從這裡介入中子物理學。”杜祥琬院士得知這個故事後，向李彬表達了謝意，也感謝清華大學工程物理系的那位老師。
杜祥琬接着說：“這篇文章的主要內容是分析中子輸運方程的非線性問題。在此之前的相關研究中，因爲原子核的密度比中子大很多，大家也就都認爲著名的‘中子輸運方程’一定是線性的。然而，在實際工程中，我們發現在聚變反應很劇烈的地方，可能會出現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。於是，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，代表中國科學家率先在國際上提出了非線性中子輸運方程及其解法。”
當然，這篇論文只是寫了一個解法，杜祥琬希望科學家們能不斷突破，找出更多新的解法。接下來，杜祥琬又回憶了當年促使這一創新研究產生的情景：
“當時，我們在開展有關聚變的研究。具體工作就是看紙帶（作者注：看紙帶可是當年的神功，現已幾近失傳！在看紙帶的過程中，科學家們腦補數值模擬的圖像來分析紙帶上所記錄的計算數據）。氘和氚之間的聚變反應產生中子並釋放17.6MeV的能量。而一般介質裡面，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，這就是當時的中子輸運方程所描述的情況。”
“然而在接下來十幾個月的工作中，我們卻從整體上發現，在聚變反應很劇烈的反應區內，中子的密度可能大於核子的密度，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，每一項裡都是一箇中子通量跟一個核反應（吸收、散射或轉移）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採用微擾方法，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，並把非線性中子輸運方程化爲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’，研究近似認爲‘n-n碰撞產生的中子密度，在一次近似下與源中子發射率的平方成正比’。論文的最後還給出了數值模擬的結果，表明：‘n-n碰撞產生了系統中原來沒有考慮的超高能中子’，‘對氘氚聚變靶所作的數值計算證實了上述結論’。”
“後來在與美國專家交流的時候瞭解到他們只是考慮了線性輸運。當得知我們考慮了非線性中子輸運方程時，美國專家覺得這很新奇。”
至於當時爲什麼選擇將這一突破性結果在《計算物理》發表，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現的問題，解決的過程又求助於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》發表。”（經查，《非線性中子輸運問題的一個解法》一文最近的引用是2018年，至今仍在相關的研究中廣泛應用。）
故事二：由1984年想到的另一個里程碑式的故事
當談到《計算物理》是1984年創刊時，杜祥琬想起來那年發生的另一個里程碑式的故事。故事從國際上物理學界的最高組織——國際純粹與應用物理學聯合會（International Union of Pure and Applied Physics，以下簡稱爲‘IUPAP’）說起。這是一個國際性的非政府和非營利性科學組織，於1922年創建於比利時布魯塞爾，是國際物理學界規模最大的學術性團體，創建之初有13個成員國。
1931年，法國物理學家朗之萬等受IUPAP委託來華考察。在北平物理學界人士召開的歡迎會上，他力主中國建立物理學會。經過物理學界有識之士共同努力，1932年8月，在清華大學科學館召開了中國物理學會成立大會暨第一屆年會。次年1月，IUPAP接納中國物理學會爲會員。
新中國成立以後，中國物理學會在IUPAP的席位一直由中國臺灣方面代表。中國物理學應該恢復在IUPAP的席位，這個問題是很清楚的。但由於種種歷史原因，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。因爲此事涉及到臺灣，而當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。李政道就負責溝通臺灣中央研究院和大陸的中國物理學會。在他的越洋協調下，77歲高齡的吳大猷院長委任臺灣清華大學理學院院長沈君山教授作爲臺灣方面代表，周光召代表大陸方面，一同協商實施方案。根據國際慣例，因爲IUPAP不是政府組織，臺灣方面也還可以存在，經雙方商議達成的方案是：中國物理學會以“The Chinese Physical Society”之名加入IUPAP，中國臺灣地區物理學會以“The Physical Society located in Taipei（位於中國臺北的物理學會）”的名義保留在IUPAP內。這是一個全新的模式，一經提出便得到了雙方的認可和IUPAP的接受。日後也爲許多國際非政府組織所採用。
同年8月，中國物理學會組織代表團前往意大利裡雅斯特出席第18屆IUPAP代表大會，中國物理學會代表團團長周光召當選爲IUPAP副主席，官方代表團團員分別是中科院物理所所長楊國幀、北大物理系趙凱華教授和杜祥琬。。這是改革開放以後杜祥琬第一次出國，是跟老周出去的，也是見證歷史時刻的一次出訪。（作者注：在中國物理學會的官網上，“中國物理學會於1984年10月正式加入IUPAP。”簡單的一句話背後有多少鮮爲人知的故事，又濃縮了多少中國物理學人的探索與追求。）
故事三：IUPAP的第21專業委員會——計算物理專業委員會的創立
“基礎研究是科技創新的源頭，也是科技強國建設的根基之一。一項科學發現能開闢一個顛覆性應用研究領域，基礎學科的水平是應用研究的靈魂。科技強國的一個標誌——基於厚重的基礎研究的科學發現能力。”
——杜祥琬在第十三屆創新中國論壇上的講話
第三個故事和前面兩個故事都有關係。在第一個故事發生前的一段時期，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這一核科學工程的中心學科，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。這是一項繁重複雜且專業性很強的工作。不過，中子物理研究應該包括哪幾個方面，成立哪幾個研究組，杜祥琬早已瞭然於胸，這是因爲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裡開始的。
理論上，中子輸運方程可以比較精確地描述中子在覈反應中的運動和分部。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機率的中子參數（包括中子反應截面、次級中子能量分佈和角度分佈）；２）系統的幾何形狀和尺寸；３）系統中各級核材料的配置和密度分佈等等。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後，杜祥琬帶領中子物理研究室開展了中子跟核相互作用的研究工作，各個組的工作要麼是計算方法，要麼就是中子參數。《非線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新方案。
“所以談到計算物理的過去與現在，咱們可以說在計算物理方面是走在前頭的。因爲在那個時候，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果的，這種情況就要求助於計算機。所以計算物理就是在計算與物理相互幫助當中成長起來的，我們對計算物理的體會也就比較深刻：計算是爲了物理，物理又促進了計算，慢慢越來越融合，也越來越發達。這樣一來就又對物理學產生了影響。”
“在歷史上，物理學從實驗科學發展起來，到了現代物理學，一直是實驗物理加理論物理。直到後來人們開始認識到還出現了一個計算物理。這個計算物理還不能算是理論物理，因爲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，所以在物理學領域，除了實驗物理、理論物理，逐漸地有了計算物理這個概念。發展至今幾乎所有物理學的主要分支都能在計算物理學的應用中找到一席之地。計算物理已成爲物理學中與理論物理和實驗物理聯繫緊密又相對獨立的第三大分支。”
“老於他們很有戰略眼光，在老於、老鄧的積極推動下，《計算物理》在1984年就創刊了。那個時候，國際上IUPAP已經有20個專業委員會，但是作爲國際物理聯合會，當時還沒有設立計算物理分委員會。”
故事二講了1984年中國物理學會恢復了在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個專業委員會——計算物理專業委員會。這項提議當即得到捷克代表的支持，於是大會決定成立一個工作組來醞釀此項建議，向IUPAP提出成立專業委員會的方案。因此杜祥琬作爲建議者之一，與工作組一起參加了籌備工作，並當選第21專業委員會——計算物理專業委員會的首屆委員。這就是計算物理進入IUPAP的故事。
隨後，杜祥琬又談及了他對《計算物理》的關注與未來發展的建議。自1984年創刊至今，依託北京應用物理與計算數學研究所的學術力量，《計算物理》做了很好的工作，發揮了重要的作用。杜祥琬說：“我們研究所的特點就是計算物理，所裡專門設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。計算物理在持續發展，研究領域也隨之不斷加深、開拓，因爲物理在發展，計算機技術也在日新月異地發展。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方向，充滿了創新和活力，在科學研究中，也發揮了越來越重要的作用，青年一代在該領域會大有可爲。《計算物理》期刊也會大有作爲的。”
最後，杜祥琬院士欣然提筆，寫下了對《計算物理》的深深祝福：爲推動物理科學和計算技術的創新發展與深度融合作出更大貢獻！
杜祥琬簡介：杜祥琬，應用物理、強激光技術和能源戰略專家。1964年畢業於蘇聯莫斯科工程物理學院，1997年當選爲中國工程院院士，2002年當選中國工程院副院長，2006年當選爲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的精確化研究；曾任國家863計劃激光專家組首席科學家，是我國新型強激光研究的開創者之一。現任國家能源專家諮詢委員會副主任，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年獲何樑何利科技進步獎。
《計算物理》期刊簡介：《計算物理》（Chinese Journal of Computational Physics)是由中國科學技術協會主管，中國核學會主辦，北京應用物理與計算數學研究所承辦的計算物理學科中文學術期刊，現任主編爲中國科學院院士江鬆。《計算物理》創刊於1984年，由共和國勳章獲得者、中國科學院院士于敏主持申請創辦，經時任副院長兩彈元勳鄧稼先批准而創辦，是國內最早的計算物理學科專業刊物，也是全球最早的四本計算物理領域刊物之一。
《計算物理》期刊作爲“廣大計算物理科學工作者的一個共同的科學園地”，在物理學相關領域內，凡有關物理建模和計算方法研究，或應用高性能計算機獲得計算結果的工作，均屬本刊收稿範圍。
本文原文發表於《計算物理》2022年第1期，原標題《杜祥琬院士訪談錄：從38年前《計算物理》上的一篇論文談起》，經作者修訂刊發於《返樸》。
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