近期，一個困擾科學家半個多世紀的物理學難題被兩位本科生破解了。湖南大學物理與微電子科學學院應用物理專業2013級本科生連丁坤和胡樑棟於畢業前在擴張的狄拉克量子化方案內，攻克了曲面上粒子運動的量子化難題。相關成果發表於《物理學年鑑》。
“本科生完全有可能做出驚人的科學成果。他們沒有那麼多條條框框的限制，反而膽子更大、想法更多。”論文通訊作者、湖南大學物理學教授劉全慧說。
難題於“胡亂計算”中被攻破
研究微觀情況下受約束的粒子運動，就要用到量子力學。如何把量子力學建立在彎曲曲面上，一直是量子力學中的難題。
半個多世紀以來，人們相信，粒子被限制在彎曲曲面時，量子力學性質的理論描述將受制於算符次序的含糊性。這使得理論研究者只好求助於採取完全不同於狄拉克量子化規則的其他理論框架。
“但由於狄拉克量子化方法是最基本的量子手段，學者們爭論了很多年，莫衷一是。”劉全慧告訴記者。
他和學生一起，深耕十餘年，致力於在狄拉克量子化框架內，摸索出一條不具爭議、沒有含混性的道路，實現彎曲曲面粒子運動的量子化。而這條小路最終被連丁坤和胡樑棟找到。
出乎意料的是，最後的成功竟源於二人的“胡亂猜想和計算”。連丁坤告訴記者，他負責實現彎曲曲面上粒子運動的量子化，胡樑棟研究粒子在彎曲曲面上運動的統一形式。
量子化問題猶如“癌症晚期”，他們用盡能想到的所有辦法都無法解決。劉全慧曾在一篇博文中寫道：“曲面上的量子力學本身就是一個‘邪惡’體系，正常手段根本對付不了。”最初安排這個課題時，他並沒有寄希望於兩個本科生會有所突破，只是讓年輕氣盛的他們“練練身手，玩得越多越雜越好”。
連丁坤仔細分析了粒子在曲面上運動的表現，進行大膽的猜想、計算，並與胡樑棟和劉全慧密切討論。正是無數的嘗試、碰撞和積累讓他有了靈感，從曲面方程出發，最終實現量子化。
取得突破源於付出更多
這一發現已是連丁坤和胡樑棟二人在本科期間完成的第二個重大成果。2016年11月，兩人和劉全慧發現了向心力公式具有普適性。該成果被認為“改寫了傳統的向心力定律”。
有人評論他們是“天才”，但熟悉他們的人都知道，所謂“天才”，只是比同齡人多了幾分辛苦、少了幾分娛樂。
2016年1月，劉全慧給大三學生講完《熱力學與統計物理》最後一節課。走到教學樓外時，連丁坤追趕了出來，說道：“劉老師，寒假我不回家了。您能不能在研究生辦公室幫我找個座位，我就在那裡學習？”後來胡樑棟也加入進來，劉全慧欣然答應，並決定“不讓他們在春節閒著”。
2月15日，大年初八，長沙的街頭寒風瑟瑟。當人們還在享受新年的歡愉時，在湖南大學知心樓二樓的一間教室裡，兩三個學生坐在講臺下，一沓公式草稿紙“橫七豎八”地鋪滿了課桌，劉全慧則在黑板前推導著公式。
他們沒有想到，兩個月後，一個改變傳統物理學定律的成果即將誕生。整個春節以及開學後的一個月，師徒三人都“泡”在一起，高強度聯合“作戰”，成果漸漸“浮出水面”。此外，為研究需要，連丁坤和胡樑棟還到數學院蹭課，自修《微分幾何》，最終用微分幾何和哈密頓力學的語言，完成了論文。
培養人才從“娃娃”抓起
美國紐約市立大學物理學教授大衛·施梅爾策在接受《中國科學報》記者採訪時對連丁坤和胡樑棟的最新成果表示讚賞：“他們解決了一個長期以來存在的問題……證明了利用一些約束條件，用狄拉克括號代替泊松括號……結果誘導出了幾何勢場，而且依賴於彎曲曲面的曲率。”
荷蘭烏得勒支大學理論物理研究所教授卡邁恩·奧爾蒂斯也在採訪中表示，通過一個高明的理論方案，他們證明狄拉克量子化能準確無誤地給出粒子在彎曲曲面的量子力學性質。更為重要的是，他們的研究給出了存在量子幾何勢能的基礎性依據。除了基礎性之外，這項工作在納米技術方面也有很重要的應用價值。
如今，連丁坤和胡樑棟已經從湖南大學畢業，正在朝著更高的科研平臺努力。他們的科研歷程讓劉全慧頗有感觸：“英氣有時比經驗更重要。”也正因此，培養傑出人才，要從“娃娃”抓起。
時間回到2016年那個冬日的午後，經歷了長時間的推演，師徒三人從教室裡走出來，天空湛藍。他們“擺拍”了一張合影留作紀念，照片上連丁坤和胡樑棟目光堅定，劉全慧會心一笑。
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