没有项目书、没有计划表，不同领域的他们因为好奇“碰撞”出创新成果

 

一个聚焦宇宙黑洞、一个研究量子相变与极限制冷、一个钻研自然界的复杂系统，研究方向完全不同的三位科学家能“聊”到一起吗？会找到共同语言吗？

中国科学院理论物理研究所（以下简称理论物理所）李理、李伟、金瑜亮三位“PI（独立课题组长）”分属上述三个领域，三位怀揣好奇心的科学家对自然中的一切感到“好玩”。他们的办公室紧邻，大门常开，随时推门就能“聊”几句；有时他们会一起相约吃饭、喝咖啡，有时只是在一场年终学术报告上，听一听了解彼此正在关心什么。

在这样无心地“闲聊”和“听听”过程中，奇妙的化学反应发生了。

一场报告

2022年底，在理论物理所的年终学术交流会上，按照所里的老传统，每位科研人员轮流上台，讲一讲一年来做的工作进展。

当时金瑜亮介绍了他们关于气液“超临界”方面的理论工作，引起了台下李理的兴趣。超临界状态，是指当压力和温度“超越”临界点后，物质会进入“气液不分”的超临界区。当下，相应的理论问题是，如何在物质的相图上定义超临界区类气态和类液态的边界。

从事黑洞与引力理论研究的李理脑子冒出了一个疑问，“很多黑洞系统的相图也具有“超临界”的区域，为什么两类完全不同的体系，会出现如此相像的物理行为？”李理有个直觉，这可能与黑洞热力学性质紧密相关。

近20年来，黑洞热力学的研究揭示了黑洞与流体系统之间的相似性，比如，带电的Anti-de Sitter（AdS）黑洞存在类似于气-液相变的小黑洞-大黑洞一级相变。

然而，一个关键问题始终悬而未决：临界点之上的“超临界”区域，黑洞表现出怎样的热力学行为？长期以来，人们对这一区域知之甚少，已有的超临界相转变线也不具有普适性。

李理团队和金瑜亮团队经过一年多合作，首次将最近提出的超临界热力学相转变线L^±系统地应用到黑洞体系。这个工作不仅揭示了黑洞超临界热力学的普适标度律，还有一些有趣的发现。比如，他们发现一类黑洞的相图具有负斜率共存线，正是液-液相变的特征标志，类比于液-液相变是“熵驱动”而非“能量驱动”，这为理解黑洞热力学行为提供了新的视角。

“黑洞超临界热力学的普适性，不仅加深了我们对引力系统相变的理解，也为通过引力全息对偶理解强关联系统提供了新的理论工具。”李理表示。令人欣喜的是，黑洞超临界热力学已受到国内外多个课题组的密切关注，正逐渐成为黑洞热力学领域的新兴热点。相关研究成果近期发表于国际主流期刊《研究》（Research）。

这并非他们第一次合作，在这次顺畅的合作之前，李理与金瑜亮经历过漫长的“理解彼此”的过程。在更早的2021年底的一次年终学术交流会上，金瑜亮关注到李理的学生讲到了一个工作，是通过引力的方法研究金属-绝缘体转变。

这引起了金瑜亮的兴趣，这与他所从事的复杂系统领域非晶固体的阻塞相变行为看起来很相似。台下的金瑜亮饶有兴致地听着，那时他正在尝试理解颗粒物质等无序体系中的液—固转变，突然灵光一现：“引力理论既然可以处理‘电子流’，是否也可以应用到‘颗粒流’？”

会后，金瑜亮找到李理讨论起这一想法，可毕竟一个天上、一个地下，两个方向离得“太远”，当时并没有找到可聚焦的研究对象。在随后的一年里，他们不断追问、碰撞，办公室里、吃饭的路上、咖啡间都是他们讨论的身影。

“交叉合作之初是很难的，大家从好奇和兴趣出发，并没有明确地研究目标。我们不断地讨论，这个方向走不通，换一个再讨论，最后才慢慢聚焦。”李理告诉《中国科学报》，这个过程看似漫长，但充满乐趣，为“长”出重要成果打下基础。

一年后，他们发现，引力理论可以用来描述一些颗粒物质在剪切外力下的非线性响应。“沙子（颗粒物质）和黑洞（引力理论）看起来完全没有关系，但在某些模型中，它们有类似的非线性效应。”金瑜亮说。该研究发表于《科学进展》。

回顾过去，金瑜亮也笑言，第一次“太痛苦了”，“花了不少时间理解黑洞领域诸如全息对偶这样基本专业名词，最后只能理解逻辑框架。但现在人工智能来了，能帮助我迅速进入一个陌生的领域，让合作更顺畅了。”

“超临界爱好者”

在那场学术交流会上，对金瑜亮的“超临界”工作感兴趣的还有李伟。李伟研究的是像高温超导、量子磁体这样的强关联量子多体系统。

一个寻常工作日，李伟到咖啡间打咖啡，正巧碰见金瑜亮在兴致勃勃地探讨超临界理论，李伟见状便上前搭话，并抛出了一个问题，“你们是研究经典相变的，那量子相变有没有超临界现象？如果有，会有什么样的新奇效应？”

量子临界现象是强关联多体系统的核心问题，其普适性串联起凝聚态物理、量子信息和量子引力等多个方向的底层科学问题。

这个朴素的疑问，成为推动合作向前的源动力。随后一年，他们不断讨论，最终发现量子超临界区不仅是存在的，而且与经典相变的超临界制冷相比，量子超临界区展现出了更为优越的磁卡效应。

李伟表示，更重要的是，基于量子超临界磁卡效应，可以突破传统经典相变制冷中大冷量与低制冷温度难以兼得的内在限制，凸显出量子相变制冷的独特优势。在氦-3资源日益紧缺的当下，基于该效应的固态制冷方案，为无氦-3极低温技术开辟了一条具备“量子优越性”的多场调控全新路径。相关研究于2025年发表在《自然-通讯》上。

“超临界区域有着丰富的物理图景、旺盛的应用需求，然而，一个矛盾的现象是，它并未得到基础研究足够的重视。”金瑜亮告诉《中国科学报》，事实上，其重要性和实用性早已被工程界所关注。比如，超临界二氧化碳发电技术被视为热力发电领域的下一代关键技术，在化工等场景也有广泛应用。

在理论物理所，一群志同道合的人希望让这一领域“热”起来。李伟建了一个名为“超临界爱好者”的微信群，把所里关注超临界物理的学生和老师“拉”进了群，经常分享关于超临界的最新进展和想法。

量子临界的神奇现象与宇宙深处也产生了奇妙的呼应，而这种呼应又促成了李伟和李理的合作。

凝聚态物理学家皮尔斯·科尔曼和安德鲁·斯科菲尔德曾将量子临界点形象地比作相图中的“黑洞”。正如黑洞会扭曲周围的时空，零温的量子临界点也会将临界涨落延伸至附近的有限温度区域，在相图中形成V形的量子临界区。奇异金属、非常规高温超导等新奇现象，都被认为与量子临界点密切相关。

“黑洞本身可以成为研究强耦合量子临界性的理论工具。”李理说，通过引力全息对偶这一桥梁，原本难以直接处理的强关联量子多体问题可以转化为可控的黑洞物理问题。

基于此，李伟和李理团队合作揭示出一类全新的立方色散的量子临界普适类。研究首次将格林艾森参数引入黑洞物理，计算了其在全息量子临界点附近的普适发散标度律，为理解超越朗道框架的金属量子临界现象提供了非微扰的理论框架。研究成果于近期发表在《物理学进展报告》上。

“我们研究的也都是原本各自领域的老问题，跨界给彼此带来了全新的工具和研究方法。现在我们正把这套新方法尝试运用到金属量子临界材料上，借助它，或许可以理解实验中的金属固态制冷行为。”李伟说。

“不期而遇”碰撞

在理论物理所，像这样的合作，常常是“不期而遇”的结果，没有任务牵引，没有计划规则。

那么，是什么让他们“聊”在了一起？在他们看来，是大自然和好奇心。

“纷繁复杂的物理世界背后，往往藏着普适、统一的规律，这也是大自然的奇妙所在。”李理告诉《中国科学报》，“正如爱因斯坦所深信的那样，世界的本质，是简洁且优美的。而这种共通的普适性与内在规律，构成了我们不同团队能够开展跨界合作的底层逻辑。”

在大自然的引导下，科研人员怀揣好奇，循着探索的志趣踏上合作之路。在无数次碰撞中，科学目标愈发清晰，重要成果自然产出。

他们觉得，合作不是偶然，而在理论物理所一以贯之的氛围下，是必然的。

首任所长彭桓武建所时，做了一个看似“随性”的决定：不设细分研究组，只设一室和二室。事实上，这是彭桓武的匠心独具，在他看来这“有利于打破研究方向间的壁垒，有利于交叉研究”。

彭桓武把在核武器理论设计时坚持的学术民主、使命导向的自由探索、平等交流讨论甚至争论的宝贵经验带到了理论物理所，开创了自由宽松的学术氛围。

在理论物理所的走廊里，挂着几乎占满半面墙的黑板、白板，黑板的正对面，第二任所长周光召提出的“开放、交融、求真、创新”八个大字的办所理念赫然醒目。

自由组合，自愿合作。谁有什么想法，就到板前讲述。所有人因好奇而讨论，由讨论而激发创新。“理论物理所学科覆盖广泛，汇集了不同方向的优秀研究者。大家都有好奇心，乐于交流、思想开放，在这种氛围下自然能产出交叉研究成果。”李理说。

面对竞争日益增加的科研压力，科研人员也面临难以静心深度思考高风险问题的困境。

“高创新性的课题，往往伴随很高失败概率。”李理说，理论物理所的氛围很宝贵，大家可以拿出精力不带功利目的地自由交流。最后哪怕这项工作的科学意义还有待评判，但至少提出了过去没人想到的角度，这依然为基础研究注入了源头活水。

金瑜亮也有同感。“真正原创的科研成果，大多不是规划出来的。”他说，“很多重大突破，都是科学界内部自发冒出来的惊喜。”

令他们振奋的是，国家和中国科学院对基础研究日益重视，期待能为科研人员带来更有力的支持，营造更加宽松的探索环境。

采访那天是周六，理论物理所的小楼里依然“热闹如常”，不时地有说话声传出。没有人知道科研人员下一次“闲聊”会带来什么，但在理论物理所，好奇和追问永远不会停。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1088/1361-6633/ae9b43

https://doi.org/10.34133/research.1406