本文是《計(jì)算物理》期刊編輯部與原中國(guó)工程院副院長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士杜祥琬的一次訪談。訪談從38年前杜祥琬發(fā)表在中國(guó)第一本計(jì)算物理領(lǐng)域期刊，也是全球最早的四本計(jì)算物理專業(yè)期刊之一的《計(jì)算物理》上的一篇文章談起，分享了他發(fā)現(xiàn)非線性中子輸運(yùn)方程、中國(guó)1984年10月加入國(guó)際物理學(xué)界最高組織IUPAP，以及IUPAP成立計(jì)算物理專業(yè)委員會(huì)這三件事背后鮮為人知的故事。

談話中，杜祥琬院士還分享了他對(duì)于理論物理、實(shí)驗(yàn)物理以及計(jì)算物理相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)，對(duì)于中國(guó)計(jì)算物理學(xué)科的發(fā)源地——中國(guó)工程物理研究院北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所計(jì)算物理學(xué)科發(fā)展建設(shè)、以及《計(jì)算物理》期刊發(fā)展的殷切期待。

愛因斯坦說過，“一切偉大的科學(xué)成就都始于直覺的知識(shí)?！边@期訪談啟發(fā)我們，即使在發(fā)展比較成熟的領(lǐng)域，老樹開新花也是常見的。在科學(xué)研究中，不能盲目跟隨，不要被過去的經(jīng)驗(yàn)所束縛，或是迷信權(quán)威，應(yīng)當(dāng)保持獨(dú)立思考的能力，重視科研直覺的價(jià)值。

撰文 | 劉潔（北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所）、黃爍（北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所）、崔磊磊（中國(guó)工程物理研究院戰(zhàn)略技術(shù)裝備發(fā)展中心）

自1984年創(chuàng)刊起，《計(jì)算物理》就承載著推動(dòng)中國(guó)計(jì)算物理及相關(guān)學(xué)科基礎(chǔ)創(chuàng)新研究之重任。38年來，歷屆編委會(huì)和幾代編輯人辛勤耕耘，《計(jì)算物理》始終堅(jiān)守“傳播計(jì)算物理領(lǐng)域前沿成果、促進(jìn)計(jì)算物理學(xué)術(shù)成果交流、推動(dòng)計(jì)算物理學(xué)科發(fā)展”的辦刊宗旨，為我國(guó)計(jì)算物理以及相關(guān)學(xué)科的創(chuàng)新發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。

最近，應(yīng)主編江松院士的邀請(qǐng)，杜祥琬院士接受了《計(jì)算物理》的獨(dú)家專題訪談。訪談中，杜祥琬從38年前在《計(jì)算物理》上發(fā)表的一篇論文談起，講述了三個(gè)鮮為人知的故事。這里，《計(jì)算物理》編輯部特將這三個(gè)“神秘”的故事整理成文，以饗廣大讀者。

故事一：

38年前《計(jì)算物理》上的一篇論文

應(yīng)用研究中始料未及的問題，能夠推動(dòng)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。

在2021年9月18日舉行的第十三屆創(chuàng)新中國(guó)論壇上，中國(guó)工程院原副院長(zhǎng)杜祥琬院士以《在應(yīng)用研究中感受基礎(chǔ)研究》為題，講了老周（周光召）和老于（于敏）的故事。報(bào)告中，除了兩彈元?jiǎng)讉兊摹按蠊适隆币酝?，他還講述了一個(gè)“小故事”，這個(gè)故事與他38年前發(fā)表在《計(jì)算物理》上的一篇文章緊密相關(guān)。

故事緣起于一封信。最近，杜祥琬院士收到了他的第一位博士研究生李彬（現(xiàn)清華大學(xué)教授，博導(dǎo)）的一封信，并隨信轉(zhuǎn)寄了1984年發(fā)表在《計(jì)算物理》上題為《非線性中子輸運(yùn)問題的一個(gè)解法》的論文。信中，李彬也講了一個(gè)故事：清華大學(xué)工程物理系一位研究中子物理的老師在指導(dǎo)學(xué)生時(shí)，拿著這篇文章，對(duì)他的學(xué)生說：“搞中子物理，就要從這篇文章入手。先把這篇文章吃透，再從這里介入中子物理學(xué)?！倍畔殓菏康弥@個(gè)故事后，向李彬表達(dá)了謝意，也感謝清華大學(xué)工程物理系的那位老師。

杜祥琬接著說：“這篇文章的主要內(nèi)容是分析中子輸運(yùn)方程的非線性問題。在此之前的相關(guān)研究中，因?yàn)樵雍说拿芏缺戎凶哟蠛芏啵蠹乙簿投颊J(rèn)為著名的‘中子輸運(yùn)方程’一定是線性的。然而，在實(shí)際工程中，我們發(fā)現(xiàn)在聚變反應(yīng)很劇烈的地方，可能會(huì)出現(xiàn)中子密度比核密度還要大的情況。此時(shí)，中子之間的碰撞就不能不考慮，線性的中子輸運(yùn)方程就不適用了。于是，我們提出了‘非線性’中子輸運(yùn)方程的概念。在此之前，‘非線性’的提法是從未有過的。1984年《計(jì)算物理》上的這篇論文，代表中國(guó)科學(xué)家率先在國(guó)際上提出了非線性中子輸運(yùn)方程及其解法?！?/span>

當(dāng)然，這篇論文只是寫了一個(gè)解法，杜祥琬希望科學(xué)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(dāng)年促使這一創(chuàng)新研究產(chǎn)生的情景：

“當(dāng)時(shí)，我們?cè)陂_展有關(guān)聚變的研究。具體工作就是看紙帶（作者注：看紙帶可是當(dāng)年的神功，現(xiàn)已幾近失傳！在看紙帶的過程中，科學(xué)家們腦補(bǔ)數(shù)值模擬的圖像來分析紙帶上所記錄的計(jì)算數(shù)據(jù)）。氘和氚之間的聚變反應(yīng)產(chǎn)生中子并釋放17.6MeV的能量。而一般介質(zhì)里面，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(dāng)時(shí)的中子輸運(yùn)方程所描述的情況?！?/span>

“然而在接下來十幾個(gè)月的工作中，我們卻從整體上發(fā)現(xiàn)，在聚變反應(yīng)很劇烈的反應(yīng)區(qū)內(nèi)，中子的密度可能大于核子的密度，中子跟核子可以碰撞，中子跟中子也會(huì)碰撞。如果中子輸運(yùn)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(yùn)方程的形式，線性方程中，每一項(xiàng)里都是一個(gè)中子通量跟一個(gè)核反應(yīng)（吸收、散射或轉(zhuǎn)移）的截面。如果要考慮中子與中子的碰撞，需要給線性輸運(yùn)方程加上中子碰撞項(xiàng)，這樣一來就有兩個(gè)中子通量，中子輸運(yùn)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(shí)，一個(gè)比較容易想到的方法就是采用微擾方法，把非線性方程化成一個(gè)線性方程組。這樣就提出一個(gè)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，并把非線性中子輸運(yùn)方程化為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(yùn)方程解法和程序的框架’，同時(shí)還可以‘明晰地給出非線性項(xiàng)的貢獻(xiàn)’，研究近似認(rèn)為‘n-n碰撞產(chǎn)生的中子密度，在一次近似下與源中子發(fā)射率的平方成正比’。論文的最后還給出了數(shù)值模擬的結(jié)果，表明：‘n-n碰撞產(chǎn)生了系統(tǒng)中原來沒有考慮的超高能中子’，‘對(duì)氘氚聚變靶所作的數(shù)值計(jì)算證實(shí)了上述結(jié)論’?！?/span>

“后來在與美國(guó)專家交流的時(shí)候了解到他們只是考慮了線性輸運(yùn)。當(dāng)?shù)弥覀兛紤]了非線性中子輸運(yùn)方程時(shí)，美國(guó)專家覺得這很新奇?！?/span>

至于當(dāng)時(shí)為什么選擇將這一突破性結(jié)果在《計(jì)算物理》發(fā)表，杜祥琬則表示這個(gè)想法很自然：“首先，這是一個(gè)物理問題，也是需要用計(jì)算來解決的問題，又是在計(jì)算的紙帶中發(fā)現(xiàn)的問題，解決的過程又求助于計(jì)算機(jī)把它化成一個(gè)線性方程組。這是一個(gè)非常典型的計(jì)算物理問題，我們很自然就選擇了將這篇文章投到《計(jì)算物理》發(fā)表。”（經(jīng)查，《非線性中子輸運(yùn)問題的一個(gè)解法》一文最近的引用是2018年，至今仍在相關(guān)的研究中廣泛應(yīng)用。）

故事二：

由1984年想到的另一個(gè)里程碑式的故事

當(dāng)談到《計(jì)算物理》是1984年創(chuàng)刊時(shí)，杜祥琬想起來那年發(fā)生的另一個(gè)里程碑式的故事。故事從國(guó)際上物理學(xué)界的最高組織——國(guó)際純粹與應(yīng)用物理學(xué)聯(lián)合會(huì)（International Union of Pure and Applied Physics，以下簡(jiǎn)稱為‘IUPAP’）說起。這是一個(gè)國(guó)際性的非政府和非營(yíng)利性科學(xué)組織，于1922年創(chuàng)建于比利時(shí)布魯塞爾，是國(guó)際物理學(xué)界規(guī)模最大的學(xué)術(shù)性團(tuán)體，創(chuàng)建之初有13個(gè)成員國(guó)。

1931年，法國(guó)物理學(xué)家朗之萬等受IUPAP委托來華考察。在北平物理學(xué)界人士召開的歡迎會(huì)上，他力主中國(guó)建立物理學(xué)會(huì)。經(jīng)過物理學(xué)界有識(shí)之士共同努力，1932年8月，在清華大學(xué)科學(xué)館召開了中國(guó)物理學(xué)會(huì)成立大會(huì)暨第一屆年會(huì)。次年1月，IUPAP接納中國(guó)物理學(xué)會(huì)為會(huì)員。

新中國(guó)成立以后，中國(guó)物理學(xué)會(huì)在IUPAP的席位一直由中國(guó)臺(tái)灣方面代表。中國(guó)物理學(xué)應(yīng)該恢復(fù)在IUPAP的席位，這個(gè)問題是很清楚的。但由于種種歷史原因，重返IUPAP一事被擱置，直到1984年，“加入IUPAP”才被時(shí)任中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)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(guó)在尋求加入IUPAP就主動(dòng)來幫忙。因?yàn)榇耸律婕暗脚_(tái)灣，而當(dāng)時(shí)臺(tái)北中央研究院院長(zhǎng)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(fù)責(zé)溝通臺(tái)灣中央研究院和大陸的中國(guó)物理學(xué)會(huì)。在他的越洋協(xié)調(diào)下，77歲高齡的吳大猷院長(zhǎng)委任臺(tái)灣清華大學(xué)理學(xué)院院長(zhǎng)沈君山教授作為臺(tái)灣方面代表，周光召代表大陸方面，一同協(xié)商實(shí)施方案。根據(jù)國(guó)際慣例，因?yàn)?/span>IUPAP不是政府組織，臺(tái)灣方面也還可以存在，經(jīng)雙方商議達(dá)成的方案是：中國(guó)物理學(xué)會(huì)以“The Chinese Physical Society”之名加入IUPAP，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)物理學(xué)會(huì)以“The Physical Society located in Taipei（位于中國(guó)臺(tái)北的物理學(xué)會(huì)）”的名義保留在IUPAP內(nèi)。這是一個(gè)全新的模式，一經(jīng)提出便得到了雙方的認(rèn)可和IUPAP的接受。日后也為許多國(guó)際非政府組織所采用。

同年8月，中國(guó)物理學(xué)會(huì)組織代表團(tuán)前往意大利里雅斯特出席第18屆IUPAP代表大會(huì)，中國(guó)物理學(xué)會(huì)代表團(tuán)團(tuán)長(zhǎng)周光召當(dāng)選為IUPAP副主席，官方代表團(tuán)團(tuán)員分別是中科院物理所所長(zhǎng)楊國(guó)楨、北大物理系趙凱華教授和杜祥琬。這是改革開放以后杜祥琬第一次出國(guó)，是跟老周出去的，也是見證歷史時(shí)刻的一次出訪。（作者注：在中國(guó)物理學(xué)會(huì)的官網(wǎng)上，“中國(guó)物理學(xué)會(huì)于1984年10月正式加入IUPAP?！焙?jiǎn)單的一句話背后有多少鮮為人知的故事，又濃縮了多少中國(guó)物理學(xué)人的探索與追求。）

故事三：IUPAP的第21專業(yè)委員會(huì)

——計(jì)算物理專業(yè)委員會(huì)的創(chuàng)立

“基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的源頭，也是科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)的根基之一。一項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)能開辟一個(gè)顛覆性應(yīng)用研究領(lǐng)域，基礎(chǔ)學(xué)科的水平是應(yīng)用研究的靈魂。科技強(qiáng)國(guó)的一個(gè)標(biāo)志——基于厚重的基礎(chǔ)研究的科學(xué)發(fā)現(xiàn)能力?！?/span>

——杜祥琬在第十三屆創(chuàng)新中國(guó)論壇上的講話

第三個(gè)故事和前面兩個(gè)故事都有關(guān)系。在第一個(gè)故事發(fā)生前的一段時(shí)期，因工作需要，時(shí)任九所所長(zhǎng)的周光召和于敏非常重視中子物理學(xué)這一核科學(xué)工程的中心學(xué)科，決定重建中子物理研究室。此前婉拒了出任副所長(zhǎng)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(xiàng)繁重復(fù)雜且專業(yè)性很強(qiáng)的工作。不過，中子物理研究應(yīng)該包括哪幾個(gè)方面，成立哪幾個(gè)研究組，杜祥琬早已了然于胸，這是因?yàn)槎畔殓旧砭蛷氖轮凶游锢硌芯?，?duì)中子輸運(yùn)方程的興趣就是從這里開始的。　

理論上，中子輸運(yùn)方程可以比較精確地描述中子在核反應(yīng)中的運(yùn)動(dòng)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幾率的中子參數(shù)（包括中子反應(yīng)截面、次級(jí)中子能量分布和角度分布）；２）系統(tǒng)的幾何形狀和尺寸；３）系統(tǒng)中各級(jí)核材料的配置和密度分布等等。有了這些條件問題，原則上可以求解，但實(shí)際求解仍是非常困難的。而中子物理研究室成立以后，杜祥琬帶領(lǐng)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(gè)組的工作要么是計(jì)算方法，要么就是中子參數(shù)?！斗蔷€性中子輸運(yùn)問題的一個(gè)解法》便是在解決實(shí)際困難中的一個(gè)創(chuàng)新方案。

“所以談到計(jì)算物理的過去與現(xiàn)在，咱們可以說在計(jì)算物理方面是走在前頭的。因?yàn)樵谀莻€(gè)時(shí)候，國(guó)家一有新的計(jì)算機(jī)，就給咱們。所以我們很多問題要通過計(jì)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(jié)果的，這種情況就要求助于計(jì)算機(jī)。所以計(jì)算物理就是在計(jì)算與物理相互幫助當(dāng)中成長(zhǎng)起來的，我們對(duì)計(jì)算物理的體會(huì)也就比較深刻：計(jì)算是為了物理，物理又促進(jìn)了計(jì)算，慢慢越來越融合，也越來越發(fā)達(dá)。這樣一來就又對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生了影響?！?/span>

“在歷史上，物理學(xué)從實(shí)驗(yàn)科學(xué)發(fā)展起來，到了現(xiàn)代物理學(xué)，一直是實(shí)驗(yàn)物理加理論物理。直到后來人們開始認(rèn)識(shí)到還出現(xiàn)了一個(gè)計(jì)算物理。這個(gè)計(jì)算物理還不能算是理論物理，因?yàn)樗皇菑睦碚撋蟻斫鉀Q一些物理問題，而是通過計(jì)算在計(jì)算機(jī)上做“實(shí)驗(yàn)”；但這種“實(shí)驗(yàn)”又不是實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)，所以在物理學(xué)領(lǐng)域，除了實(shí)驗(yàn)物理、理論物理，逐漸地有了計(jì)算物理這個(gè)概念。發(fā)展至今幾乎所有物理學(xué)的主要分支都能在計(jì)算物理學(xué)的應(yīng)用中找到一席之地。計(jì)算物理已成為物理學(xué)中與理論物理和實(shí)驗(yàn)物理聯(lián)系緊密又相對(duì)獨(dú)立的第三大分支?！?/span>

“老于他們很有戰(zhàn)略眼光，在老于、老鄧的積極推動(dòng)下，《計(jì)算物理》在1984年就創(chuàng)刊了。那個(gè)時(shí)候，國(guó)際上IUPAP已經(jīng)有20個(gè)專業(yè)委員會(huì)，但是作為國(guó)際物理聯(lián)合會(huì)，當(dāng)時(shí)還沒有設(shè)立計(jì)算物理分委員會(huì)?！?/span>

故事二講了1984年中國(guó)物理學(xué)會(huì)恢復(fù)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(huì)上，由楊國(guó)楨、趙凱華和杜祥琬組成的代表團(tuán)再次出席會(huì)議。在那次代表大會(huì)上，杜祥琬建議IUPAP成立第21個(gè)專業(yè)委員會(huì)——計(jì)算物理專業(yè)委員會(huì)。這項(xiàng)提議當(dāng)即得到捷克代表的支持，于是大會(huì)決定成立一個(gè)工作組來醞釀此項(xiàng)建議，向IUPAP提出成立專業(yè)委員會(huì)的方案。因此杜祥琬作為建議者之一，與工作組一起參加了籌備工作，并當(dāng)選第21專業(yè)委員會(huì)——計(jì)算物理專業(yè)委員會(huì)的首屆委員。這就是計(jì)算物理進(jìn)入IUPAP的故事。

隨后，杜祥琬又談及了他對(duì)《計(jì)算物理》的關(guān)注與未來發(fā)展的建議。自1984年創(chuàng)刊至今，依托北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的學(xué)術(shù)力量，《計(jì)算物理》做了很好的工作，發(fā)揮了重要的作用。杜祥琬說：“我們研究所的特點(diǎn)就是計(jì)算物理，所里專門設(shè)立計(jì)算物理國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，這些年還有很多年輕人才的成長(zhǎng)。計(jì)算物理在持續(xù)發(fā)展，研究領(lǐng)域也隨之不斷加深、開拓，因?yàn)槲锢碓诎l(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)也在日新月異地發(fā)展。計(jì)算物理已有了幾十年的歷史，但它又是一個(gè)比較新的科學(xué)方向，充滿了創(chuàng)新和活力，在科學(xué)研究中，也發(fā)揮了越來越重要的作用，青年一代在該領(lǐng)域會(huì)大有可為?！队?jì)算物理》期刊也會(huì)大有作為的?！?/span>

最后，杜祥琬院士欣然提筆，寫下了對(duì)《計(jì)算物理》的深深祝福：為推動(dòng)物理科學(xué)和計(jì)算技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展與深度融合作出更大貢獻(xiàn)！

杜祥琬簡(jiǎn)介：杜祥琬，應(yīng)用物理、強(qiáng)激光技術(shù)和能源戰(zhàn)略專家。1964年畢業(yè)于蘇聯(lián)莫斯科工程物理學(xué)院，1997年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士，2002年當(dāng)選中國(guó)工程院副院長(zhǎng)，2006年當(dāng)選為俄羅斯國(guó)家工程院外籍院士。曾主持我國(guó)核試驗(yàn)診斷理論和核武器中子學(xué)的精確化研究；曾任國(guó)家863計(jì)劃激光專家組首席科學(xué)家，是我國(guó)新型強(qiáng)激光研究的開創(chuàng)者之一。現(xiàn)任國(guó)家能源專家咨詢委員會(huì)副主任，國(guó)家氣候變化專家委員會(huì)顧問；獲國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)一項(xiàng)、一等獎(jiǎng)一項(xiàng)、二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)，部委級(jí)一、二等獎(jiǎng)十多項(xiàng)。2000年獲何梁何利科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

《計(jì)算物理》期刊簡(jiǎn)介：《計(jì)算物理》（Chinese Journal of Computational Physics)是由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管，中國(guó)核學(xué)會(huì)主辦，北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所承辦的計(jì)算物理學(xué)科中文學(xué)術(shù)期刊，現(xiàn)任主編為中國(guó)科學(xué)院院士江松。《計(jì)算物理》創(chuàng)刊于1984年，由共和國(guó)勛章獲得者、中國(guó)科學(xué)院院士于敏主持申請(qǐng)創(chuàng)辦，經(jīng)時(shí)任副院長(zhǎng)兩彈元?jiǎng)奏嚰谙扰鷾?zhǔn)而創(chuàng)辦，是國(guó)內(nèi)最早的計(jì)算物理學(xué)科專業(yè)刊物，也是全球最早的四本計(jì)算物理領(lǐng)域刊物之一。

《計(jì)算物理》期刊作為“廣大計(jì)算物理科學(xué)工作者的一個(gè)共同的科學(xué)園地”，在物理學(xué)相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)，凡有關(guān)物理建模和計(jì)算方法研究，或應(yīng)用高性能計(jì)算機(jī)獲得計(jì)算結(jié)果的工作，均屬本刊收稿范圍。