理论物理学家的一天是怎样的呢？

本文翻译自Oscar Nieves的博客文章《A day in the life of a Theoretical Physicist》。原文请点击文末原文链接查看。

Oscar是物理学家、教育家和STEM爱好者。他目前正在攻读理论物理学博士学位，方向是光子学和随机动力学。

正如我在各大网络平台上所看到的那样，没有多少人对"一个理论物理学家的一天是怎样的"这个问题有着足够的了解，因此接下来我将根据我的经验，来讲述我对这个问题的答案。首先，我必须指出，理论上讲，我还不是一个"理论物理学家"，因为我仍然还需要几个月才能完成我的博士学位。有很多人宁愿等到获得了“Dr.”的头衔后，再称呼自己为"物理学家"，但也有一些人喜欢在完成该学科的学士学位后立即使用这个词。就我而言，只要有人在大学或公司做物理相关研究，他们就可以称自己为物理学家。在这篇文章中，我将会从一位博士生的角度，来回答一些关于在理论物理研究中工作是什么感觉的问题。

理论物理学家是做什么的？

What does a theoretical physicist do?

第一个问题：理论物理学家是做什么的？简短的回答是：大量的数学和大量的计算机模拟。理论家们在笔和纸上做所有工作的日子早已一去不复返了。自从计算机问世以来，理论物理学家充分利用数值编程来解决手工无法解决的复杂数学问题。因此，理论物理学家不仅需要在巨大的白板和纸张上处理数学问题，更需要利用计算机程序（经常是自己写的代码）。我的整个读博生涯的日常基本上就是：在一张纸上手工推导和计算方程，使它们变成完美的形式，再使用Python或Matlab进行编码。我处理的大多数方程（以及其他物理学家一般所处理的）都是我们所说的"微分方程"，特别是"偏微分方程"。这些方程含有一个或多个变量（如空间、时间等）的一些未知函数及其导数。它们通常非常难以解决，因此我会使用一些数值方法来实现一定精度的近似解，并与我能找到解析解（或精确解）的特例进行对比测试。

事实上，我认为我花费了更多的时间用于试图手动找到解析解，而不是实际通过写代码来寻找这些方程的数值解，所以我想我作为物理学家的大部分工作仍然是非常"笔和纸"式。当解析解根本不可能实现时，我会尝试用我已知的物理学知识来回答一些基本问题，例如"我的解是否遵守能量和动量守恒定律？" ，"系统在这些特定条件下的行为是否如我所期望的那样？"，"数值解在数学特性（例如连续性，可微性）以及物理特性（例如，随着系统随时间的变化）上是否有意义？"物理直觉对我的工作极为重要，因为如果没有它，我将不知道如何阐述我的研究工作，或以连贯、合理的方式来解释它。

从某种意义上说，我认为一位理论物理学家的工作可以总结为如下几条：

• 理论物理学家寻求发展数学模型和一般理论来解释我们在自然界中（直接或间接）观察到的物理现象。这需要对数学方法和物理原理有非常深刻的理解。

• 这些理论和模型往往非常抽象和复杂，例如粒子物理学，因此必须记住，无论理论物理学家得到什么结果，都必须可以以某种方式测量或测试。如果实验与理论预测不一致，那么理论物理学家需要重新审视他们的假设并相应地改变它们，或是通过添加或删改其中的物理机制，或是重新开始。

• 理论物理学家还使用计算机模拟验证他们的假设，这使得一旦他们知道要寻找什么或测量什么，运行实验就更加高效和经济高效。计算机模拟也有助于发现新的物理学。

日常工作是怎样的？

What is the daily work like?

这是另一个重要的问题。我必须承认，理论物理这项工作本身有点奇怪。我不是按照通常的朝九晚五的工作制来工作，而是在很多周末和假期都需要加班。有时我的工作可能会从清晨（例如早上7点）开始，一直持续到下午1点，但有时可能很容易地持续到午夜。我证明，在过去读博的3年里，我熬了很多夜。并且每年我也会在生日那天照常工作，这对我来说不是太麻烦，但它表明，这项工作是需要全身心投入并且十分杂乱的。

每天的工作量取决于我努力实现的短期目标，这也取决于我研究小组中的其他人想要什么。例如，如果我们正在写一篇研究论文，我们为每周设定时间表，并逐步研究论文的不同方面，从结果开始（因为没有结果=没有论文），然后拼死分析这些结果（我这么说并不夸张：我必须说明每一个细节，仿佛在奥林匹克游泳池中计算亚原子粒子）。这也意味着我每周有多次研究会议（通常每周2-3次），在那里我们回顾迄今取得的任何进展，并提出未来几天新的工作任务。这是一个乏味的过程，但它有助于更快地完成论文。

这些天我的大部分工作都是在Matlab中进行模拟，我从零开始使用一些数值方法的背景知识来编写代码。写代码是一件非常累的工作，在一天内编写1000多行代码并不罕见，需要大量的故障排除工作（事实上，故障排除占我编写代码所花费时间的 95%）。必须根据已知的精确解对代码进行严格测试，我们还必须检查模拟在不同条件下的行为，以确定可能的缺陷或错误。我还必须做大量的收敛测试，这意味着运行一个具有不同步长的模拟（例如在空间或时间），并查看解是否随着步长减少而接近一些恒定值（这就是我们所说的"数值收敛"）。

在我现在做的编写代码之前，我的大部分工作都围绕手工（如果可能的话）得出方程的解，并试图通过使用物理原理获得对这些解的本质的物理见解。我想说，到目前为止，我的整个博士期间都是70%左右的笔和纸，30%的编程，这对我来说很好，因为我总是喜欢手工解决工作问题，而不是通过代码。

物理研究的主要目标是什么？

What is the main goal of physics research?

这是一个有点复杂的问题，因为从17-20世纪以来物理学已经发生了很大的变化。今天的物理研究有两个主要目的：寻找"新物理学"，并增强我们对现有物理学的知识，以便我们能够在现实世界中提出更好的工程应用。因此，21世纪的物理学是纯物理（为了获取知识而研究）和工程学之间的交叉。许多人会质疑物理学的工程方面是否真的可以被称为"物理研究"，因为"应用物理"和"工程学"之间几乎没有区别，但我不明白为什么这如此成问题，我的意思是：我的大部分研究是"基于物理的"，因为我正在研究基本的行为和机制，但同时我做的工作是专门针对一组子集的工程应用，所以我需要同时保持我的理论和模型实用性和现实性。

然而，我确实设想过在不久的将来，物理和工程的融合会越来越多，因为我看到许多工程师在做物理工作，我也看到许多物理学家在做工程工作。在大型研究项目（如大型强子对撞机）方面，两者之间有很多合作。因此，也许在100年后，两者之间不会有太大的区别，我们将会被称为"物理工程师"。

理论物理工作令人满意吗？

Is theoretical physics work satisfying?

这取决于这个人以及他们有多喜欢这种生活方式。我想说，如果你对自然及其内部运行机制感到好奇，并且你喜欢解决数学问题，并提出关于"事物如何运作"的抽象理论，那么这项工作绝对是有趣的。同时，我不能说这项工作是轻松或平衡的。在我的博士生涯中，我一年四季平均每周工作60小时左右。不用说：这项工作非常累人。即使我不是"实际上在做这项工作"，至少我是在"非常认真地思考工作"，这基本上意味着我的大脑一直是高速运转着。因此，我想说，作为一个长期的事业（如20年以上），理论物理学可能不是人类最可持续的职业选择。

另一个对21世纪的理论物理学有点不尽如人意的方面是，你所做的研究在任何方面都可能不会具有突破性。在过去的几个世纪里，做开创性的工作要容易得多，即使手工解决一个方程也足以授予你诺贝尔奖。如今，在全世界数百万从事研究的物理学家中，尤其是作为一名理论物理学家，彩票中奖的概率要远大于获得诺贝尔奖。有些人可能会觉得这有点过于悲观，但保持现实的期望是好的，这样是理智的。毕竟，如果你期望从理论物理中获得很多声誉或奖项，你就不应该成为一个理论物理学家。否则在你的职业生涯中，你最可能得到的就是与其他物理学家的几次握手。

最后的想法

Final thoughts

总之，理论物理是一个十分困难的职业。这项工作需要大量的数学、解决问题、抽象思维和计算机编程。这项工作很有趣，但也很漫长、乏味，并且有时感觉它不会有什么结果。但是，尽管它带来了种种挑战，我也认为它是重要的工作，特别是如果我们想要加深对自然及其内部运行机制的理解。

| 翻译：双楫

| 校对：小琪

本文经授权转载自《物理所研究生教育》微信公众号

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