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时间有起点吗？
时间箭头的方向为什么是单向的？
空间为什么是三维的？
它有更高的维度吗？
物理学院的李芳昱教授和他所在的科学团队一直在高频引力波的研究领域，探索现代物理这一奥秘。近日，重庆大学“数字记忆”团队于重庆大学A区逸夫楼对物理学院退休教授李芳昱进行了口述历史采访。跟随李芳昱教授的回忆和现场展示，我们看到了一位科研工作者立身于宇宙天地间，脚踏实地，对科学的不懈追求和对真理的无尽探索。
李芳昱出生于1943年11月，从高中起他就很喜欢物理。他高考的成绩十分优秀，在当地算是高考状元，但在那个特殊时期，因为家庭出身的原因遗憾地与名校失之交臂，最终被西北师范大学物理系录取。大学期间，他饱读物理书籍，牛顿、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、狄拉克等物理学巨匠的研究成果与思想，点燃了他对物理世界的无限好奇与探索热情，让他深深沉醉于物理的广阔天地，对这门学科怀揣着浓厚的兴趣与深切热爱。
1968年，中共中央发出《关于1967年大专院校毕业生分配问题的通知》，主要精神就是面向农村，面向边疆，面向工矿，面向基层，与工农群众相结合。在这期间，李芳昱在中专中技和中学教学，后来在一个分马力小电机厂当普通车工，在这期间学到了不少有关电机生产工艺方面的技能。
在那最为绚烂、美好的青春年华，时光悄然在那段似乎被遗忘的蹉跎岁月里静静流淌。继续科研无疑是一条困难重重的道路，但在这悠悠十载光阴里，李芳昱心中始终燃烧着对物理学的炽热情怀。他认真努力工作，充分发挥自己的物理学专长，将理论知识巧妙应用于生产实践之中，一步步从基层干到了小厂长。工作之余，他时常手捧物理学教材，靠求解物理习题来打发闲暇时光。每当遇到难以攻克的难题，他便前往兰州大学，向那里德高望重的物理学老师段一士虚心求教。段老师以其渊博的学识和耐心的指导，为李芳昱答疑解惑、指点迷津，使得他在物理学的道路上越走越远、越攀越高。培养出两位院士的段一士教授曾以“我很喜欢重庆，我的老家也是重庆，因为重庆有李芳昱这样值得尊敬的学者！”来表达他对李芳昱的认可。
1959年李芳昱（后排左1）
与高中班上部分同学及两位实习老师合影
1978年，随着高考的恢复，全国高等教育也开始复苏。这一年，李芳昱迎来了人生的重要转折点，他有幸被调入重庆大学并一直工作至今。“我人生当中最长的时间都在重大了！”李芳昱如此感慨。来到重大，一开始他在基础科学系（数学、物理、化学、外语）从事教学工作，并担任游学泽先生的助教。他在重庆大学物理系给本科生讲过物理实验课，先后讲授过力学、电磁学、原子物理和电动力学等物理专业的主要课程。从九十年代起，他还为物理专业的硕士生和博士研究生讲授过黎曼几何，广义相对论和现代引力理论等研究生课程。李芳昱也从这个时候开始了真正意义上的研究，主要包含广义相对论、引力波以及引力波的探测。
什么是高频引力波？
它可能是探索极早期宇宙的全新窗口和信息通道
早在1916年，爱因斯坦就预言了引力波的存在，但因理论艰深和强度太弱，长时间未获证实，包括爱因斯坦本人在内的许多著名科学家也对引力波是否存在有过短暂的怀疑。直到上世纪八十年代，两位美国天体物理学家赫尔斯和泰勒对脉冲双星PSRB1913+16进行了长达数年的跟踪观测，发现其公转周期的变化和由于其引力波辐射而导致的辐射阻尼效应完全吻合，从而间接但高精度地证实了引力波的存在。这一成果获得1993年的诺贝尔物理学奖。2015年，美国科学家使用LIGO（激光干涉引力波天文台）探测到两个黑洞合并，在不到1秒的时间内有3个太阳质量，全部转化为引力波的辐射能，这些能量通过引力波的形式发射出来，最终被检测到，直接证明了引力波的存在。该成果获2017年诺贝尔物理学奖。
两个黑洞合并时能量转化为引力波发射出来
“这个瞬间，引力波产生的辐射能比整个宇宙当时的恒星产生的电磁辐射还要强，是最壮观的宇宙烟火！”李芳昱激动地描述。这一系列里程碑式的成就深深触动和激励着李芳昱。他谈到，美国LIGO探测的是几十赫兹到几百赫兹的中频带引力波，而如果能探测到10^9到10^10赫玆甚至更高频带的高频引力波，特别是在宇宙的及早暴涨期产生的原初引力波，它将打开人类观测自然界和宇宙的一个全新的信息通道和窗口，人们将完全可能观测到一个全新的和更为深邃的宇宙，它将完全可能对人们的许多传统观念，带来巨大的、甚至是颠覆性的冲击。
“时间有起点吗？有高于三维空间的更高维度吗？有和我们可观测宇宙的平行宇宙存在吗……？这些基本的科学问题都和高频引力波的研究密切相关。如果将来能直接探测到微波频带甚至更高频率的高频引力波，它将为上述研究提供重要的窗口甚至突破点，最终无论是正结果、零结果，还是负结果，除了具有重大的科学意义外，它们还将会产生系列高新技术的副产品，如弱信号探测，强磁场技术，低温物理，真空技术等，因而是一个很值得深入研究的方向！”李芳昱如是说。
Li-effect：
高频引力波探测的理论基础
李芳昱的研究领域包括广义相对论与引力论，引力波与引力辐射理论，弯曲时空中的经典电动力学和量子电动力学，拓扑声子空间中的引力扰动效应，引力场能量动量张量的表述形式和正定性问题，高频引力波与电磁场的相互作用，以及与实验观测的相关交叉课题。他所提出的高斯型微波光子流与高频引力波谐振响应的研究，被国际同行称之为Li-effect（李-效应）。由此设计的探测方案，为高频引力波的研究和电磁探测提供了重要的理论支撑，得到了国际同行的公认，且被认为是在微波频带具有最低标准量子极限（即最好的灵敏度）的探测方案。
2003年 “Li-effect”的代表性文章
最早发表于《Physical Review D》
（美国的《物理评论》）
在此基础上，李芳昱教授所在的科学团队（方祯云教授、李瑾教授、文毫副教授、喻豪博士等）开展了多年的持续研究；理论物理实验室的吴兴刚教授、李昕研究员等多位成员也长期支持、参与了这一课题。
李芳昱荣获2005年度重庆市自然科学二等奖
迄今为止，李芳昱教授在《Physical reviews D》《Nuclear Physics B》《 The European Physical Journal C》《Classical and Quantum Gravity》《General Relativity and Gravitation》《中国科学》等国际著名学术刊物发表有关引力波的科学论文80余篇。在国际上得到了汉堡大学、德国电子同步加速中心、剑桥大学、罗马大学、哈佛大学、德克萨斯大学等科学团队的广泛关注和高度评价。
高频引力波探测的主流方案：
Li-Baker Detector
“科学必须是要能够被证伪的，而实验是关键。爱因斯坦的引力理论之所以能够得到公认，除了他在理论上做出了划时代的工作之外，关键是这些理论也经受了实验的验证。”李芳昱认为，理论唯有经过验证，才能产生“1+1>2”的效果。回顾现代自然科学的发展历程，实验始终是检验科学假设不可或缺的重要环节。
欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC），曾希望利用高能质子流的对撞产生的高能引力子，来观测进入空间额外维度中的逃逸效应，从而揭示空间的更高维度。但其实验的零结果至少表明，LHC离这一目标的能量要求还存在巨大的差距。为此，李芳昱提出了一种“换位思考”的想法，他认为，人类绝不可能建造一个太阳系大小的高能加速器，但宇宙空间中完全可能存在来自更高空间维度的高能k-k引力子。如果我们能借助新颖而高灵敏度的探测方案探测到上述高能引力子（高频引力波），将是对空间额外维度存在的有力证据，这是一个巧妙、高效、建设成本低廉的研究方案。
重庆大学高频引力波探测方案：
3DSR高频引力波探测器
（Li-Baker Detector）
按Li-effect效应（李-效应），重庆大学理论物理实验室设计了三维同步谐振探测器（3-dimensional Synchro-Resonance Detector，3DSR）的原创方案，其工程、实验设计部分，与美国在这一领域的学术带头人Baker教授（著名天体物理学家，美国总统科学奖和终身科学成就奖获得者）开展了长期深入的合作研究。因此，被国际同行称之为Li-Baker高频引力波探测方案。该方案利用高频引力波与电磁系统的相互作用原理，对微波频带（10^9赫兹和更高的频带）的高频引力波探测灵敏度，预期可达10^-31量级左右，明显高于英、意等国的方案，并在第二届国际高频引力波会议（2007年，美国，德克萨斯）上被审定为美国高频引力波科学团队的唯一首选方案。
2007年美国德克萨斯州
李芳昱在第二届国际高频引力波会议上作报告
在2020年的国际高频引力波大会（意大利）上，Li-Baker探测器被列入当今国际上五种典型的高频引力波探测方案，获得了包括剑桥大学、伊利诺伊大学、宾夕法尼亚大学、芝加哥大学等著名院校的学者与团队的积极评价。德国和美国同行已将其列入他们建造的高频引力波探测方案的计划之中。
李芳昱称它为“桌面上的探测器”，建设成本大概是几千万人民币左右。同样是探测引力波，和那些大型的科学装置相比，尽管是小尺度、低成本、短周期的投入，但同样具有重要的科学意义，而且与大型科学装置形成了很好的互补性。
科研共赢：
国际交流的智慧碰撞
李芳昱认为学术的国际交流与合作十分重要。在重庆大学工作期间，李芳昱参加了多次国际学术交流会议，将他在高频引力波领域的研究带到了全世界。他曾分别应邀赴前苏联莫斯科大学、前苏联斯坦伯格天文研究所引力物理研究室、美国利文斯顿激光干涉引力波天文台、美国路易斯安娜州立大学引力物理研究室、美国奥斯汀高等学术研究所和香港科技大学开展学术访问和合作研究。“在国际会议上提到重庆大学，国外的学者就会说，‘哦，我知道你们重庆大学，高频引力波研究做得相当不错！’大家都知道这件事。”这也是对重庆大学高频引力波科学团队的鼓励和鞭策。
1992年4月17日 摄于莫斯科大学
（李芳昱 左1 鲁登科 中间 梅留科夫 右1）
古雪夫 左1 李芳昱 右1
2001年访问美国激光干涉引力波天文LIGO
摄于路易斯安娜州
左1 李芳昱 左2 路易斯安娜州立大学教授
右2 Mark（时任LIGO的负责人）
李芳昱在LIGO的学术报告
2023年，重庆大学成功举办了中国引力与天体物理界极具声望的学术盛会——中国物理学会引力与相对论天体物理分会2023年度学术年会。此次会议汇聚了数位天体物理专家，如马普核物理研究所及都柏林高等研究所的Felix Aharonian教授等，李芳昱也在此次会议上做了题为《高频引力波的电磁对应体：张量模和非张量模极化态的分辨和显示》的最新研究报告。近年来，物理学院类似的国际学术交流与合作日渐频繁，李芳昱深切感受到学院正稳步迈向高质量发展，这更加坚定了他不断前行的信念。
2023年
李芳昱在海峡两岸空间科学大会上作报告
吃苦创新：
重大人才培养的实践之路
“桃李满天下”恰如其分地描绘了李芳昱老师的辉煌教育成就。在他的学生群体中，有60%至70%的比例在高等学府与科研机构中继续深耕物理教学与科研，另一部分则在企业和行政部门工作，将物理学知识应用到其他领域，多年来积累形成的理性思维，最终为他们的发展助力。值得一提的是，在他悉心指导的研究生中，超过20%已远赴欧美深造或工作，拓宽了国际视野；而留在国内的80%学生，发展势头同样强劲，各自在领域内取得了显著成就，熠熠生辉。每逢新年佳节，学生们从世界各地发来的祝福和问候，令他感到十分欣慰。“作为老师，看到学生们成才是最大的幸福。”他说，重大的人才培养最主要的特点，就是继承了学校“耐劳苦，尚俭朴，勤学业，爱国家”的校训。
李芳昱荣获2004年全国优秀教师称号
对待教学，李芳昱认为沟通和质疑是最重要的两个方法。在课题组中，李芳昱经常和学生一起探讨学术问题，并鼓励大家积极质疑。“我赞成丁肇中先生所说的话，科学上不能搞少数服从多数，不能搞民主集中制，说因为你只有一票，另外是九票，所以那个九票就一定是对的，因为很多情况下是真理往往掌握在少数人手里。”在教学中一定要培养学生敢于提问、敢于质疑的精神。李芳昱说，敢于质疑比直接得到答案往往更重要。
李芳昱补充道，做基础研究一定不能闭门造车，要加强国际交流，包括和顶尖人才的交流，不断突破思维局限，激发创造性，才能让我们的物理研究尽快进入到前沿领域。李芳昱说：“目前我国从‘1-99’的研究都是很不错的，但从‘0-1’的原始性创新依然需要不断加强。”
展望未来：
重大高频引力波研究的新征程
访谈尾声，李芳昱对重庆大学物理研究的未来寄予厚望并提出建议。他强调，首先要把团队和硬件平台建设起来，提升“硬实力”。充分挖掘物理学院的潜力，并与光电、计算机等学院形成优势互补，把好钢用到刀刃上。现在的重庆大学正处在发展机遇期，我们在国内外的高频引力波研究领域已经取得了一定影响，应借助东风，让重大更上一层楼。
而在“软实力”上，人才培养与交流也十分重要。“好的人才要尽量吸引过来。”李教授对新时代的中青年赋予了很高的期待。
最后，还需要加强沟通交流。李芳昱计划参加更多的国内外学术交流。在谈及交流的重要性时，李教授讲述了一段印象深刻的往事：第二届国际高频引力波会议上，李教授结识了一位俄罗斯的引力波权威学者克里斯邱克，他们从物理学问题聊到普希金和柴可夫斯基，并发展出一段跨国的友谊。从这段经历中，李教授也颇有心得，“在与外国学者进行交流时，除了学术工作之外，还应包括文化和艺术，这样可使学术交流更加深入、和谐及人性化。”
李芳昱受邀到俄罗斯学者家中交流
2024年，诺贝尔物理学和化学奖都颁给了人工智能专家，引起学界一片哗然，而在探讨人工智能的应用时，李芳昱分享了他的个人经历。李教授认为，人工智能的优势是一个海量数据库，并且开始上升到思维和意识的层次，这是人类所不能比拟的；然而一旦涉及到前沿科学探索中的创造性思维，人工智能立刻显现出它的局限性。人类的创造性思维、原始创新和不同学科间的交融等等，这些都是人工智能不能替代的。李芳昱曾尝试向人工智能提出一些现代物理学中的探索性问题，如高维空间、引力量子化、引力波不同极化态的分辨等，面对这些问题，人工智能则“力不从心”。因此，我们应当充分发挥两者的互补优势。
写在最后：
探索宇宙奥秘的浪漫勇士
关心人类，仰望宇宙，守望未来，是每一位科研工作者的毕生追求，更是理想主义者的浪漫。李芳昱教授的故事，生动地诠释了科研工作者肩上那份沉甸甸的责任与使命，以及这一路上的艰辛与荣耀。他们深知，每一次科学探索的突破，都是对人类智慧的一次致敬，对宇宙奥秘的一次窥探，对未来可能的一次勇敢预测。在广袤的空间与无垠的时间中，每一位科研工作者都是探索未知的勇士，他们心怀理想，脚踏实地，以科学的名义，不断书写着属于这个时代的浪漫篇章，绽放出最壮丽的宇宙和生命烟火。
重庆大学数字记忆团队欢迎您为“走进专家”系列口述历史工作提供线索、材料。
联系人：刘芳兵
联系电话：65678067 18602304608
来源 | 重庆大学数字记忆团队
编辑 | 赵聪颖
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