前方,是更艰深的理论学习,是课题组里更具挑战性的任务,是无数个需要攻克的具体问题。但他们的眼中,已不再有初入大学时的懵懂与试探,取而代之的是一种更沉静、也更坚定的光芒。
学海无涯,这一次,他们不再是随波逐流的旅人,而是自己航船的舵手,朝着心中隐约的灯塔,稳稳地,破浪前行。
秋意渐浓,梧桐叶从金黄转为深褐,在风中打着旋儿飘落。校园被一种沉静而内敛的学习氛围笼罩。大二上学期进入深水区,各门核心课程的进度骤然加快,如同疾驰的列车,将学生们的脑力和精力推向极限。
《理论力学》 进入了分析力学的腹地,从拉格朗日方程出发,深入探讨约束系统的处理、对称性与守恒量的关系(诺特定理),并正式引入哈密顿力学框架。
许源在推导中心力场问题的哈密顿-雅可比方程时,那种“化动为静”、将力学问题转化为偏微分方程求解的数学美感,让他着迷。
这与他在暑期接触的、描述黑洞吸积盘的偏微分方程隐隐呼应,虽然物理对象天差地别,但数学结构和变分思想的深刻性让他对理论物理的统一性有了更切身的体会。他开始尝试用哈密顿正则方程处理他那简化Bondi吸积盘模型中角动量的演化,虽然很快发现忽略粘滞和热力学效应后过于理想化,但这种“学以致用”的尝试加深了他对课程内容的理解。
《电动力学》 则已全面进入“场”的世界。麦克斯韦方程组的微分形式、边界条件、电磁势的引入、规范自由度的概念,层层递进。
当老师推导出电磁场的能量动量张量,并阐述其在时空变换下的协变性时,许源脑海中闪过陈教授课题组讨论的、相对论性喷流中能量输运的画面。
他开始不满足于课本上的推导,课后找来Jackson的《经典电动力学》,试图啃下其中关于推迟势、辐射场、以及电磁场相对论变换的更严格表述。这远超出课程要求,也让他倍感吃力,但那种“窥见全豹一角”的感觉,驱动着他。
《热力学与统计物理》 是另一场思维风暴。从宏观热力学三大定律的深刻内涵(特别是熵的统计解释和热力学第二定律的微观基础),到统计物理的核心——系综理论。
当老师从微正则系综出发,推导出正则系综和巨正则系综,并引入配分函数这一“□□”时,徐嘉庆敏锐地意识到,这与机器学习中概率图模型的某些思想有异曲同工之妙。
系统在不同约束(能量固定、温度固定、温度和粒子数固定)下的“最概然分布”,不正对应着不同条件概率下的“最可能状态”吗?他开始尝试用统计物理的语言,去“翻译”和理解分子模拟中采样算法(如Metropolis-Hastings)背后的细致平衡条件,这让他对两种看似迥异的领域(统计物理和计算统计)产生了新的认知连接。
《数学物理方法》 成了他们共同的“磨刀石”。复变函数、留数定理、傅里叶变换、拉普拉斯变换、以及开始接触的特殊函数(勒让德多项式、贝塞尔函数)。这些抽象的数学工具,是解决物理问题不可或缺的利器。
许源在学习贝塞尔函数时,立刻联想到它在处理柱对称问题(如波导、圆形膜振动,甚至他模拟的吸积盘扰动模式)中的广泛应用。
徐嘉庆则在深入理解傅里叶变换的性质时,联想到其在PME方法中处理长程静电(波矢空间部分)的核心作用。
他们不再是被动地接受“这个公式可以用来解那个方程”,而是主动地思考“这个数学工具为何有效?其本质是什么?在我要解决的问题中如何应用?”
课业的压力是巨大的。深夜的图书馆和自习室里,永远能看到他们伏案疾书或对着屏幕沉思的身影。草稿纸消耗的速度惊人,上面写满了对诺特定理的证明、对麦克斯韦方程组在不同规范下的推导、对巨正则系综配分函数的计算、以及对复变积分路径的巧妙选取。
他们与几位同样刻苦的同学组成了固定的学习小组,定期聚在一起讨论难题,分享笔记,互相讲解思路。思想的碰撞常常能照亮各自思维的盲区。
然而,学业并非全部。与各自课题组的联系,如同两条坚韧的丝线,始终牵系着他们,将他们从繁重的基础课中暂时抽离,拉向更遥远、也更具吸引力的前沿地平线。
许源旁听陈教授课题组线上组会已渐成习惯。他开始能听懂一部分技术性讨论,比如关于模拟中“数值耗散对喷流准直的影响”,或者“不同磁场位形对吸积盘-喷流连接区的影响”。他会在笔记本上记下听不懂的术语,课后查阅。
杨博士有时会私下给他布置一些“小作业”,比如让他用学到的《数理方法》知识,尝试推导一下柱对称模式下吸积盘扰动的色散关系(线性分析),或者让他用Python实现一个简单的、求解托尔曼-奥本海默-沃尔科夫(TOV)方程的程序,以理解简并物质构成的白矮星或中子星结构。
这些任务都颇具挑战,常常需要他现学现卖,但完成后的成就感无与伦比。他感觉自己正沿着一条陡峭但清晰的小径,向着那片名为“高能天体物理”的险峻山峰缓慢攀爬。
徐嘉庆的“小任务”——将PME方法与自动微分结合——进展得磕磕绊绊,但方向逐渐清晰。
在经历了无数次梯度爆炸、数值不稳定、内存溢出后,他终于在王瀚师兄的指导和一篇最新技术报告的启发下,找到了一个相对可行的路径:利用现有支持自动微分的科学计算库(如JAX)中已优化的FFT和卷积操作,结合自定义的、可微的电荷分配和力插值核函数,实现了一个简化版的、支持可学习原子点电荷的PME静电计算模块。
虽然目前只支持简单的立方盒子,计算效率也远未优化,但核心的自动微分链路被打通了。他成功地在几个简单的周期性离子晶体模型上,验证了静电能计算的正确定性,以及能量对原子坐标和可学习电荷参数的梯度正确性。
这个阶段性成果,让他距离构建那个混合模型(神经网络短程力 + 可微PME长程静电力)更近了一步。张老师在线上讨论时肯定了他的进展,并建议他下一步可以尝试将这个可微PME模块,与一个极简的神经网络(比如只有一个隐藏层的多层感知机MLP,用于从原子环境预测电荷)结合起来,在一个极小的模型系统(如水二聚体)上测试整个框架的可行性。这将是真正的“概念验证”(Proof of Concept)。
学业与课题的双重压力,让时间变得极其宝贵。许源和徐嘉庆的日常作息精确到分钟。他们常常是最后一批离开图书馆或教学楼的人,踏着星光或路灯昏暗的光晕回宿舍。交流变得极其高效,往往在去食堂的路上,或者在排队打水的间隙,快速交换几句各自遇到的难题或新发现。
“今天组会讨论喷流中的粒子加速,提到了费米加速机制,和电动力学里运动电荷在电磁场中的回旋有关联吗?”
“有点关系,但更复杂,涉及随机散射和激波。你们电动力学讲到哪了?”
“讲到推迟势和辐射场了,有点绕。”
“我们统计物理今天推了巨正则分布,感觉和变分推断的思想有点像……”
“嗯,都是优化问题。你那PME的梯度验证过了?”
“基本对了,但计算量还是大。你们陈教授给的TOV方程作业怎么样?”
“正在调参数,中心密度边界条件有点微妙……”
他们像两个在各自战壕里埋头挖掘的工兵,偶尔探出头来,交换一下彼此挖到的“土方”和遇到的“岩层”,然后又缩回去继续奋战。
疲惫是实实在在的,但眼中那簇因探索和求知而燃起的光,却从未熄灭。他们彼此支撑的方式,不再仅仅是生活上的关心,更是智力上的砥砺和情感上的懂得——懂得对方为何在深夜对着一行代码或一个公式苦思冥想,懂得那份看似枯燥的推演背后所蕴含的、接近真理的微光。
十月初,一场突如其来的秋雨带来寒意。校园里湿漉漉的,落叶粘在石板路上。物理系举办了一场面向本科生的“科研入门”系列讲座,邀请了几位不同方向的年轻教授介绍他们的研究。
许源和徐嘉庆都去听了。一位做量子信息的老师,讲述了如何用量子比特模拟复杂分子;一位做软物质物理的老师,展示了如何用光学镊子操控单个生物分子;还有一位做宇宙学模拟的老师,描绘了用超级计算机重现宇宙大尺度结构的壮丽图景。
讲座结束,人群散去。两人走在雨后的校园小径上,空气清冷。
“感觉……每个方向都深不见底。”许源望着远处路灯下氤氲的水汽,感叹道。
“嗯。”徐嘉庆应了一声,沉默片刻,说,“但好像……也更有意思了。”
“是啊。”许源点头,想起讲座中那些激动人心的科学问题和技术挑战,“知道得越多,越觉得不知道的更多。但好像……也更想知道了。”
这或许就是探索的魅力。它不会因为艰难而却步,反而会因窥见其博大而更加心向往之。秋日的寒意,无法冷却他们胸中那团被知识与未知点燃的火。课程在深化,课题在推进,前路依然漫漫,但他们的脚步,在秋日沉静的天光下,却愈发沉稳,愈发坚定。
学海的深潜,才刚刚开始。而他们,正努力调整着呼吸,适应着水压,朝着那更深、更暗,却也潜藏着更多奥秘与光辉的深渊,缓缓下潜。