科技创新年 | 从剑桥到北大，他向原子发起对话请求......

来源：【北京大学】

2023年，电影《奥本海默》全球爆火

让物理学家奥本海默重新走入人们的视野

在真实的历史中

1925年11月

奥本海默在一封信中写道

“这里真是一片沃土，有很多诱人的宝藏……

我有机会见到许多人，其中不乏优秀者。”

信中的“这里”

正是剑桥大学著名的卡文迪许实验室

无数物理巨擘从这里走出

一百年后

中国青年物理学者宋博

在这里汲取了深厚的学术养分

如今，他回到国内

致力于超冷原子物理研究

推动中国基础物理迈向新的高度

今年恰逢量子力学诞生一百周年

让我们走进

北京大学物理学院助理教授宋博的物理世界

一同感受超冷原子的神奇魅力

从剑桥回国、加入北京大学，对宋博而言，并非一个仓促决定，而是基于国家战略与个人志向的双重考量。

“我国在传统半导体和芯片技术上确实存在某种程度的落后，但在新兴的量子科技上，依然拥有追赶甚至引领的机会。”他说道，语气中透出坚定与使命感，“今年又恰逢国际量子科学与技术年，如果我们能够在这个关键节点抓住机遇，将会对整个国家产生深远影响。”

从海水到原子世界：宋博的两场“潜行”

屏住呼吸，封闭大脑，把整个身体浸润在清凉的海水里，这就是宋博在香港科技大学读博期间最喜欢的运动。清水湾一望无垠的海面上，凉风时而拂过，吹散焦虑与烦躁。海水包裹着身体，只余水声回荡。在忘我的寂静中，他仿佛看到了原子之间不断碰撞、崩裂出的微光。

“我把自己沉到海底，只听见海水的声音，内心就会变得特别平静。”宋博说。他将自己潜入海洋的方式，看作进入原子世界的方式。他以光为媒，与超冷原子对话，用实验装置一点点勾勒出微观量子宇宙的轮廓。

部分实验装置

谈及科研，宋博神采飞扬。“我的研究方向是基于超冷原子体系的量子模拟、计算和计量，主要聚焦于量子多体体系和拓扑物态。”超冷原子物理，虽然听起来似乎距离我们的日常生活很遥远，但它与前沿科技紧密相连。这是一个运用多种技术手段精确控制原子的物理方向，可以通过激光冷却等方法，将原子温度降至接近绝对零度，使原子的热运动速度大幅降低。当原子处于这种超低温状态时，量子效应会显现出来，展现出诸如玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein Condensate，简称BEC）等宏观可观测的量子现象，再以此模拟诸如无序多体体系。

镱原子玻色–爱因斯坦凝聚状态

用光“冻住”原子，像玩乐高一样搭建量子版的微观世界，这听上去像科幻电影里的桥段，却是宋博每天在做的事。

在博士后期间，他曾实验实现二维玻色玻璃态，揭示出无序与原子间相互作用共同作用下的局域化和离开域化现象，相关成果发表在国际权威期刊《自然》上。

博士后期间的宋博

如今在北京大学，他正主持搭建高分辨率的量子气体显微成像平台（Quantum Gas Microscopy，简称QGM），已经初步实现光晶格中镱原子的精准探测。

在科研的海洋中，他仍在持续下潜，探寻那个微小却深邃的量子世界。

初步的量子气体显微成像（每个亮点是一个原子）

“锱铢必较”的研究精神

宋博从初中时期便开始接触编程，面对编程中需要解决的各种问题，他最初采用的是常规算法。起初，当数据量较小时，算法运行速度极快，往往一秒钟内便能得出结果。然而，随着数据规模的不断扩大，算法的效率瓶颈逐渐显现，计算时间显著增加。这让他开始思考：算法存在内在的局限吗？是否有更优的算法能够解决这一难题？随着学习的深入，他发现物理学为解决这类问题提供了重要的思路。正如美国著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）所言，世界本质是量子的。

读博期间的宋博

“我们很难去用经典的计算机去模拟量子的世界，所以为了更好地认识我们这个世界，我们需要做一个量子机器去进行模拟和学习，认知我们的世界。”

后来，宋博接触到超冷原子，发现这不仅是解决他早期编程中遇到的优化问题的有效途径，也让他在物理与计算机科学之间找到了完美的结合点。他笑言：“这两者一拍即合，既满足了我对物理的热爱，也激发了我对计算机的兴趣，每天上班都非常开心。”

这种“锱铢必较”的科研精神伴随着宋博的整个学术生涯。在剑桥卡文迪许实验室工作期间，他与导师之间的讨论尤为激烈，堪比英国议会的辩论场。组会上的争论常常针锋相对，双方针对某些观点提出不同见解，互相批判，力求找出漏洞，最终推导出能够解释实验现象的合理理论。正是在这种严谨而激烈的讨论中，许多灵感得以诞生。“锱铢必较”不仅是一种严谨求真的态度，更是对问题进行深入反思的必需品质，是理论创新的源泉。

谈及对有志于物理研究的青年学者的建议，宋博坦言：

“坚持梦想非常重要。我国许多著名物理学家起初并非物理专业出身，甚至物理成绩并不突出，但他们怀揣报国情怀，最终成为一代大师。”

为什么物理学的基础研究很重要？他用“天狗吃月亮”的古老传说与现代天文解释作比喻：“我们可以用‘天狗吃月亮’来描述月食现象，但更科学的解释是地球、太阳和月球之间的运动关系。为什么选择后者？因为它不仅能解释现象，还能做出准确预测。”

“物理学用简单的基本规律推演复杂现象，能够解释并预测世界，这本身就是一件非常美妙的事情。对年轻人来说，最重要的是保持热情，坚持梦想。每一小步的积累，都会为未来的突破奠定坚实基础。”

教学相长，灵感在讲台上浮现

尽管参与教学的时间不长，宋博却始终以严谨的态度对待课堂。“还是要爱这门学科，自己真正喜爱，然后你可能才会由衷地去把一些非常有趣、重要的物理概念传达给学生。”他相信，唯有授课教师真正热爱这门学科，才能让学生感受到知识的魅力。他常常翻阅前辈留下的教学材料，参考以往老师光学课的案例和PPT，不断打磨自己的课件与表达方式，“备课的过程，本身也是重新学习的过程。”

课堂上的宋博

当被问及如何在繁忙的科研与教学之间寻找平衡时，宋博举了一个亲身经历的例子。“我在讲光学课时讲到了‘泽尼克相衬法’。在备课时我突然想到，尽管这个方法很多年之前就提出了，但它也可以运用到我们当前的一个超冷原子实验中。”他顿了顿，语气中带着兴奋，“可以用这个相衬法去更进一步地去探测原子的分布。”

教学，不仅让他“温故而知新”，也为科研带来了意外的灵感火花。宋博在讲解光栅和全息时，向学生展示了一个使用空间光调制器产生相位调制，从而实现任意光势阱的例子。他笑言：“我第一次学光学是在十多年前，如今重新教授这门课程，才真正理解孔子那句‘温故而知新，可以为师矣’的妙处。”

宋博参加校运动会（左三）

打造有温度的智能实验室

在科研之余，宋博也坚持保持身体活力。“我喜欢跑步、游泳、骑自行车，偶尔也会爬山。在剑桥那几年，因为疫情，健身房关了，我反而养成了长跑的习惯。”他回忆起沿着剑河慢跑的日子，觉得那是最放松、最沉静的时光。

宋博参加半程马拉松比赛

同样的有序节奏，他也带入了实验室管理之中。宋博为实验团队引入智能系统，实时记录温度、湿度等参数，“打开一个网页上面可以看到所有的数据，并且如果数据有异常，它会发消息提醒给我们。”

更特别的是，宋博所在的课题组拥有自己的“百科全书”。“点开一个关键词，它会列出所有填有这个关键词的信息，让我们更好地去记录、观测、分析。”

在带学生方面，宋博也倡导“探索式”教学。“我会教他们光路搭建、光纤耦合、声光调制器的调节……教一两遍，之后就是他们自己去尝试。”他强调：

“每个人都有自己的想法，老师只是起到传授一些经验的作用。非常好的想法往往也可能来源于学生，所以要给他们充分的自由度去做一些事情。”

谈及未来最想攻克的科学问题，宋博毫不犹豫地说他希望能把无序多体体系理解清楚。在他看来，当前科研早已不再是单打独斗的时代，“过去可能有牛顿式的伟大物理学家，但现在，随着科学不断地细分，我们需要去跟其他领域的人进行广泛的交流。”正因如此，宋博始终保持阅读前沿预印本的习惯，每天早晨抽出二三十分钟，了解最新研究动态。

球场上的宋博

宋博参加教职工足球比赛（后排左四）

北大的科研平台和资源也为宋博提供了强有力的支持。受益于北大良好的教师“老带新”氛围，“我们现代光学研究所每个月都有老师们的午餐交流会，当前我就量子显微成像技术在做的改进，就得益于午餐会跟其他老师在生物成像方面交流时得到的一些经验。”

“More is different”，这句话来自物理学家安德森，是宋博最喜欢的一句箴言。当一个体系足够复杂时，整体行为往往无法简单地从个体推导出来，很难用非常单一的规律去描述它。“正如我研究的量子多体体系，它们不是单个粒子的行为，而是展现出具有相互作用多体的行为。”这是一幅多样而深刻的物理图景。

在复杂体系中孕育秩序

在微观世界中蕴含奇观

在宋博的世界里

越是“深潜”，越近“真实”

越能贴近那个不加修饰的世界

专注于微小世界的人

其实更能为新世界打开新的可能

愿宋博在量子科学的深海中继续勇敢潜行

也愿北大的“赛先生”精神薪火相传

点亮中国的科学星空

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