塵封的往事：量子場論研究的「中國魔術」

2016年的10月10日到21日，一場關於量子場論中的散射振幅的workshop在位於北京北四環的中科院卡弗里理論物理所舉行。這workshop的中國當地組織者是來自浙江大學的馮波、來自科學院理論物理所的何頌以及楊剛。

（workshop海報/吳俊寶攝）

表面上看起來，這場報告波瀾不驚。除了預定在10月19日有一場來自普林斯頓高等研究院的Nima Arkani-Hamed的報告也許會吸引一點大眾的眼球，其他部分似乎隱藏在這個鋼筋水泥的大都市的最不為人注意的角落。

是的，這是一群研究量子場論中的「散射振幅」的人。他們中的年輕人也許是中國新一代科學家的縮影，比如說馮波，曾經與物理學教皇威騰等人合作有一個振奮人心的工作：BCFW散射振幅計算公式。懂行的人告訴筆者，在這裡，F就是馮波，而W就是鼎鼎大名的威騰。

馮波（來源：網路）

也許在普通老百姓的印象中，理論物理太過高冷。很多人會誤認為中國的理論物理髮展缺乏激動人心而且廣為人知的研究工作。而實際上並不是這樣的，中國理論物理研究有很多成就。正如本次量子場論中的散射振幅workshop所折射的那樣。本次wokshop折射了量子場論研究中的中國傳統，這一傳統曾經被威騰等人稱為「中國魔術」（chinese magic）。

而要讓中國的普羅大眾理解這具有中國特色的「魔術」卻並不是容易的事情。幾經輾轉，中國科學院大學的喬從豐老師向筆者透露，威騰等人所稱的「中國魔術」，主要的工作與徐湛、張達華、張禮等老師的工作有關。說完這句話，喬老師就建議筆者去聯繫這些老師進行訪談，在經過幾次努力後，筆者決定自己來寫這個文章。

北京師範大學物理系的張宏寶老師告訴筆者，「中國魔術」核心的思想在於「旋量」。張老師同時指出，「就是你熟悉的彭羅斯的那個旋量與扭量那一套東西。」

如此說來，事情可以從文革結束以後說起，那時候發生了「科學的春天」，很多人回到了研究崗位。徐湛老師也從四川樂山的一個中學回到了清華大學從事教學與研究工作。而國際的學術圈內也發生了一件大事，那就是1979年丘成桐與孫理查證明了廣義相對論的正質量定理。那時候科學院理論物理所把丘成桐請來報告了這一個重要進展。

科學院數學所的陸啟鏗曾經與理論物理學家郭漢英等人在文革期間學習相對論，他也去聽了丘成桐的報告。他聽了丘成桐的相對論的報告後，作為一個應用數學家， 陸啟鏗用旋量分析的方法處理了引力波的數學結構。在旋量分析的角度來看，引力波可以看成是時空中的外爾曲率的波動，而因為外爾曲率的反對稱性質，總可以寫成很清晰的旋量形式。用旋量分析的方法研究了引力波的運動方程，這種研究方法比1987年出版的彭羅斯與人合著的《旋量與時空》一書中的類似的結果還要早一些。

後來美國人威騰出來，用旋量的手法重新證明了正質量猜想。

因此可以看出，其實在這個時候，旋量語言在中國學術圈也已經成為理解理論物理學的一個基本語言。中國人一點也不落後。

徐湛（來源：網路）

差不多也就在同一個時期，1980年代中期，針對非阿貝爾規範場論中散射振幅的計算複雜性 ，徐湛老師與張達華、張禮等人想到了用旋量來處理量子場論中的散射振幅問題，他們提出了「旋量演算」的方法，這個方法被國際同行稱為「中國魔術」。

這裡要簡單介紹一下張達華老師，他是中國科學院高能物理研究所的研究員。他的祖父張瀾，就是在開國大典上站在毛主席邊上的白鬍子老爺爺（民主同盟的創始人、朱德與羅瑞卿的師長）。因此，張達華老師與郭漢英教授一樣都是名門之後，而且都是物理學家，他們也許會在聊天的時候談到「旋量」。

張禮是清華大學教授，曾經翻譯有徐一鴻的《可怕的對稱》。（此書由清華大學出版社出版，屬於「理解科學」叢書，本文作者也有一本科普書《日出》收錄在此叢書里。）

那麼，話說回來，為什麼旋量可以處理散射振幅呢？這可是「中國魔術」中最精彩的部分。

原來，「中國魔術」只處理無質量的粒子。一個無質量的粒子，在時空當中來看它，它的世界線是類光的。而根據旋量的描述，一個類光矢量總可以開根號，得到一個旋量。所以，如果考慮無質量粒子（比如光子，比如引力子，比如膠子）之間的散射，那麼就可以用旋量來簡化一些不必要的計算細節（計算結論與相互作用的類型無關，這一點是非常強悍的），從而直接得到非常清晰的結論，因此這一工作也就被稱為「中國魔術」。

目前已經有很多活躍在中國高能物理領域的研究者意識到「中國魔術」發表30周年後已經產生了非常深遠的影響。「中國魔術」也許對我們理解量子引力的本質也會起來一定的指引作用。

因此，如果誰敢說中國的高能與理論物理學家30年來沒有原創性的工作，那麼可以直接把「中國魔術」丟到他的臉上……

（本文作者對「中國魔術」的發現細節了解非常匱乏，此文發表時未經文中出現的科學家們的審閱）

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