Oscar是物理學家、教育家和STEM愛好者。他目前正在攻讀理論物理學博士學位，方向是光子學和隨機動力學。
正如我在各大網路平臺上所看到的那樣，沒有多少人對"一個理論物理學家的一天是怎樣的"這個問題有著足夠的瞭解，因此接下來我將根據我的經驗，來講述我對這個問題的答案。首先，我必須指出，理論上講，我還不是一個"理論物理學家"，因為我仍然還需要幾個月才能完成我的博士學位。有很多人寧願等到獲得了“Dr.”的頭銜後，再稱呼自己為"物理學家"，但也有一些人喜歡在完成該學科的學士學位後立即使用這個詞。就我而言，只要有人在大學或公司做物理相關研究，他們就可以稱自己為物理學家。在這篇文章中，我將會從一位博士生的角度，來回答一些關於在理論物理研究中工作是什麼感覺的問題。
理論物理學家是做什麼的？
What does a theoretical physicist do?
第一個問題：理論物理學家是做什麼的？簡短的回答是：大量的數學和大量的計算機模擬。理論家們在筆和紙上做所有工作的日子早已一去不復返了。自從計算機問世以來，理論物理學家充分利用數值程式設計來解決手工無法解決的複雜數學問題。因此，理論物理學家不僅需要在巨大的白板和紙張上處理數學問題，更需要利用計算機程式（經常是自己寫的程式碼）。我的整個讀博生涯的日常基本上就是：在一張紙上手工推導和計算方程，使它們變成完美的形式，再使用Python或Matlab進行編碼。我處理的大多數方程（以及其他物理學家一般所處理的）都是我們所說的"微分方程"，特別是"偏微分方程"。這些方程含有一個或多個變數（如空間、時間等）的一些未知函式及其導數。它們通常非常難以解決，因此我會使用一些數值方法來實現一定精度的近似解，並與我能找到解析解（或精確解）的特例進行對比測試。
事實上，我認為我花費了更多的時間用於試圖手動找到解析解，而不是實際透過寫程式碼來尋找這些方程的數值解，所以我想我作為物理學家的大部分工作仍然是非常"筆和紙"式。當解析解根本不可能實現時，我會嘗試用我已知的物理學知識來回答一些基本問題，例如"我的解是否遵守能量和動量守恆定律？" ，"系統在這些特定條件下的行為是否如我所期望的那樣？"，"數值解在數學特性（例如連續性，可微性）以及物理特性（例如，隨著系統隨時間的變化）上是否有意義？"物理直覺對我的工作極為重要，因為如果沒有它，我將不知道如何闡述我的研究工作，或以連貫、合理的方式來解釋它。
從某種意義上說，我認為一位理論物理學家的工作可以總結為如下幾條：
- 理論物理學家尋求發展數學模型和一般理論來解釋我們在自然界中（直接或間接）觀察到的物理現象。這需要對數學方法和物理原理有非常深刻的理解。
- 這些理論和模型往往非常抽象和複雜，例如粒子物理學，因此必須記住，無論理論物理學家得到什麼結果，都必須可以以某種方式測量或測試。如果實驗與理論預測不一致，那麼理論物理學家需要重新審視他們的假設並相應地改變它們，或是透過新增或刪改其中的物理機制，或是重新開始。
- 理論物理學家還使用計算機模擬驗證他們的假設，這使得一旦他們知道要尋找什麼或測量什麼，執行實驗就更加高效和經濟高效。計算機模擬也有助於發現新的物理學。
日常工作是怎樣的？
What is the daily work like?
這是另一個重要的問題。我必須承認，理論物理這項工作本身有點奇怪。我不是按照通常的朝九晚五的工作制來工作，而是在很多週末和假期都需要加班。有時我的工作可能會從清晨（例如早上7點）開始，一直持續到下午1點，但有時可能很容易地持續到午夜。我證明，在過去讀博的3年裡，我熬了很多夜。並且每年我也會在生日那天照常工作，這對我來說不是太麻煩，但它表明，這項工作是需要全身心投入並且十分雜亂的。
每天的工作量取決於我努力實現的短期目標，這也取決於我研究小組中的其他人想要什麼。例如，如果我們正在寫一篇研究論文，我們為每週設定時間表，並逐步研究論文的不同方面，從結果開始（因為沒有結果=沒有論文），然後拼死分析這些結果（我這麼說並不誇張：我必須說明每一個細節，彷彿在奧林匹克游泳池中計算亞原子粒子）。這也意味著我每週有多次研究會議（通常每週2-3次），在那裡我們回顧迄今取得的任何進展，並提出未來幾天新的工作任務。這是一個乏味的過程，但它有助於更快地完成論文。
這些天我的大部分工作都是在Matlab中進行模擬，我從零開始使用一些數值方法的背景知識來編寫程式碼。寫程式碼是一件非常累的工作，在一天內編寫1000多行程式碼並不罕見，需要大量的故障排除工作（事實上，故障排除佔我編寫程式碼所花費時間的 95%）。必須根據已知的精確解對程式碼進行嚴格測試，我們還必須檢查模擬在不同條件下的行為，以確定可能的缺陷或錯誤。我還必須做大量的收斂測試，這意味著執行一個具有不同步長的模擬（例如在空間或時間），並檢視解是否隨著步長減少而接近一些恆定值（這就是我們所說的"數值收斂"）。
在我現在做的編寫程式碼之前，我的大部分工作都圍繞手工（如果可能的話）得出方程的解，並試圖透過使用物理原理獲得對這些解的本質的物理見解。我想說，到目前為止，我的整個博士期間都是70%左右的筆和紙，30%的程式設計，這對我來說很好，因為我總是喜歡手工解決工作問題，而不是透過程式碼。
物理研究的主要目標是什麼？
What is the main goal of physics research?
這是一個有點複雜的問題，因為從17-20世紀以來物理學已經發生了很大的變化。今天的物理研究有兩個主要目的：尋找"新物理學"，並增強我們對現有物理學的知識，以便我們能夠在現實世界中提出更好的工程應用。因此，21世紀的物理學是純物理（為了獲取知識而研究）和工程學之間的交叉。許多人會質疑物理學的工程方面是否真的可以被稱為"物理研究"，因為"應用物理"和"工程學"之間幾乎沒有區別，但我不明白為什麼這如此成問題，我的意思是：我的大部分研究是"基於物理的"，因為我正在研究基本的行為和機制，但同時我做的工作是專門針對一組子集的工程應用，所以我需要同時保持我的理論和模型實用性和現實性。
然而，我確實設想過在不久的將來，物理和工程的融合會越來越多，因為我看到許多工程師在做物理工作，我也看到許多物理學家在做工程工作。在大型研究專案（如大型強子對撞機）方面，兩者之間有很多合作。因此，也許在100年後，兩者之間不會有太大的區別，我們將會被稱為"物理工程師"。
理論物理工作令人滿意嗎？
Is theoretical physics work satisfying?
這取決於這個人以及他們有多喜歡這種生活方式。我想說，如果你對自然及其內部執行機制感到好奇，並且你喜歡解決數學問題，並提出關於"事物如何運作"的抽象理論，那麼這項工作絕對是有趣的。同時，我不能說這項工作是輕鬆或平衡的。在我的博士生涯中，我一年四季平均每週工作60小時左右。不用說：這項工作非常累人。即使我不是"實際上在做這項工作"，至少我是在"非常認真地思考工作"，這基本上意味著我的大腦一直是高速運轉著。因此，我想說，作為一個長期的事業（如20年以上），理論物理學可能不是人類最可持續的職業選擇。
另一個對21世紀的理論物理學有點不盡如人意的方面是，你所做的研究在任何方面都可能不會具有突破性。在過去的幾個世紀裡，做開創性的工作要容易得多，即使手工解決一個方程也足以授予你諾貝爾獎。如今，在全世界數百萬從事研究的物理學家中，尤其是作為一名理論物理學家，彩票中獎的機率要遠大於獲得諾貝爾獎。有些人可能會覺得這有點過於悲觀，但保持現實的期望是好的，這樣是理智的。畢竟，如果你期望從理論物理中獲得很多聲譽或獎項，你就不應該成為一個理論物理學家。否則在你的職業生涯中，你最可能得到的就是與其他物理學家的幾次握手。
最後的想法
Final thoughts
總之，理論物理是一個十分困難的職業。這項工作需要大量的數學、解決問題、抽象思維和計算機程式設計。這項工作很有趣，但也很漫長、乏味，並且有時感覺它不會有什麼結果。但是，儘管它帶來了種種挑戰，我也認為它是重要的工作，特別是如果我們想要加深對自然及其內部執行機制的理解。
本文翻譯自Oscar Nieves的部落格文章《A day in the life of a Theoretical Physicist》。原文連結：https://oscarnieves100.medium.com/a-day-in-the-life-of-a-theoretical-physicist-db2c4e78b7aa
| 翻譯：雙楫
| 校對：小琪
來源：物理所研究生教育
編輯：hxg、yrLewis
