十月下旬,清华园的秋意达到了极致。银杏大道金黄璀璨,如两条流动的熔金,映照着古老的礼堂和图书馆的红砖,构成一幅经典的、只属于清华的秋日画卷。荷塘的残荷与岸边的垂柳在秋风中低语,近春园里枫叶如火。
天气转凉,晨起时能看到草地上凝结的白霜,午后的阳光却依旧温暖明亮。校园里,自行车流穿梭不息,学生们裹着风衣或薄羽绒,步履匆匆,脸上带着属于期中季特有的、混合了专注与一丝紧张的沉静。
对许源和徐嘉庆而言,这不仅是季节的转换,更是学业与探索进入关键节点的标志。
期中考试如同一道分水岭,横亘在面前。大二上学期的核心课程,在经历了前半程的概念奠基和理论铺陈后,开始进入综合应用和深度理解的攻坚阶段。与此同时,他们与清华本校课题组的远程联结,也在经历了初期的适应和摸索后,开始结出更实质性的果实。
《理论力学》 的期中考试,重点考察了从拉格朗日力学到哈密顿力学的过渡,以及对称性、守恒量与可积系统的深刻联系。
一道综合大题,要求用分析力学方法重新处理“在竖直平面内运动的带电摆锤在均匀磁场中的运动”,巧妙地结合了力学与电磁学的基本原理。
许源在解题时,清晰地构建了系统的拉格朗日量(包括动能、重力势能、带电粒子在磁场中的矢势能),正确地导出了运动方程,并分析了磁场导致的附加“广义力”对摆锤运动的影响(如改变振动频率、引入进动)。
他甚至在最后额外讨论了当磁场方向变化时,系统的对称性和可能出现的新的循环积分。这份解答展现了他对分析力学框架的理解已不再停留于套用公式,而开始触及物理内涵。
《电动力学》 的考试则充满了矢量分析与场论的“硝烟”。
从静电场边值问题的求解(分离变量法、镜像法),到静磁场的多极展开,再到麦克斯韦方程组的协变形式初步,题量巨大,计算繁琐。压轴题给出一个理想导体球置于均匀静电场中的经典问题,要求求解球内外电势分布、感应电荷面密度、并计算系统的电偶极矩。
许源熟练地运用了球坐标下的拉普拉斯方程通解和边界条件匹配,清晰地得出了镜像电荷法的等效结果。在讨论部分,他简要提及了该模型在理解金属纳米颗粒等离激元共振、或天体物理中带电尘埃在等离子体环境中行为的潜在类比。
这份超出标准答案的延伸思考,得益于他在陈教授课题组耳濡目染的前沿视野。
《热力学与统计物理》 的期中考核,则是一场概念与逻辑的严苛洗礼。试题着重考察了对热力学基本微分关系、麦克斯韦关系式的灵活运用,以及对系综理论本质的理解。
一道关于“用巨正则系综处理吸附在表面上的气体分子”的题目,要求推导吸附等温线(如Langmuir吸附公式),并讨论温度、化学势的影响。
徐嘉庆在答题时,清晰地定义了系统的巨正则配分函数(考虑到吸附位点的占据状态),严谨地推导了平均占据数表达式,并分析了其在不同极限下的物理行为。他还在最后简要讨论了该模型在催化、传感器等表面科学领域的应用背景,以及如何与更真实的相互作用模型(如考虑吸附分子间排斥)结合。
这种将抽象统计理论与实际问题联系的意识,源自他在分子模拟领域的初步探索。
《数学物理方法》 的考试,则是对前半个学期数学工具掌握程度的集中检验。复变积分、留数定理计算实积分、傅里叶变换求解偏微分方程(如一维热传导或波动方程)、以及勒让德多项式和贝塞尔函数的性质与应用。
题目灵活,对技巧和洞察力要求很高。许源和徐嘉庆都在一道涉及用傅里叶-贝塞尔展开求解圆形薄膜强迫振动的问题上花费了较多时间,最终都成功运用了贝塞尔函数的正交完备性,写出了级数解的形式。扎实的数学功底,是他们应对物理和计算课题的基石。
紧张的期中周结束后,成绩陆续公布。许源和徐嘉庆的名字,再次稳稳地位列年级前列。尤其在一些重点考察物理思想和综合能力的题目上,他们的解答获得了老师额外的加分和评语中的肯定。这并非侥幸,而是几个月来在繁重课业和远程科研探索中,对基础概念反复锤炼、对知识脉络主动构建的自然结果。
然而,真正的挑战与收获,远不止于试卷上的分数。
在期中考试结束后的短暂喘息间隙,许源收到了杨博士发来的一封邮件,附有一份初步的、由他主导起草的“研究简报”草稿。简报的内容,正是基于许源暑期完成的简化 Bondi-α盘模型参数扫描结果,结合一些经典的吸积盘理论公式,对“低质量X射线双星”(LMXB)中观测到的“高/低态”光度变化,以及能谱软化现象,尝试进行定性的、基于标度律的物理解释。
简报中,杨博士将许源的数值结果与观测数据趋势进行了并置对比,并谨慎地讨论了简化模型在解释这些现象时的可能性和局限性。邮件的末尾,杨博士写道:“…你的数值工作为这部分讨论提供了直接的依据。我已将你列为共同作者。请仔细审阅草稿,特别是涉及你模拟结果的部分,确认数据和表述准确无误。这是一个很好的开始。”
许源握着鼠标的手,因激动而微微颤抖。尽管只是一份内部流通、远非正式发表的简报,尽管他的贡献主要集中在数值计算部分,但“共同作者”这四个字,意味着他暑期的工作得到了正式的认可,意味着他的名字,第一次与真实的天体物理研究联系在了一起。
他反复阅读简报,核对自己的数据图表,斟酌着每一个用词。他知道,这只是万里长征的第一步,但这一步,实实在在地踏在了科研的土地上。
与此同时,徐嘉庆在张老师课题组的“概念验证”也取得了关键突破。
在成功实现可微PME静电模块的基础上,他构建了一个最小化的混合模型原型:用一个极简的三层MLP,根据原子的元素类型和局部环境(截断半径内的邻居距离和类型)预测每个原子的“有效点电荷”;然后,将这个电荷输入可微PME模块计算长程静电能和力;同时,用一个相对标准的SchNet模型(但去除了其原有的处理静电的部分)来预测短程的、复杂的相互作用能和力。
两者相加,得到总能量和原子力。
他将这个原型应用在一个精心挑选的、能清晰区分长短程作用的简单测试体系上:一个水分子(H??O)与一个钠离子(Na??)在不同距离下的相互作用。
在这个体系中,短程部分主要是水分子与钠离子之间的电子云重叠和交换排斥(Pauli斥力),以及可能的电荷转移效应;长程部分则是经典的、与距离成反比的库仑吸引。
训练数据来自高精度的量子化学计算。经过数轮调试和超参数优化,他的混合模型原型成功“学会”了合理分配长短程贡献。模型预测的总相互作用能与量子化学结果高度吻合。更重要的是,当他分别查看模型输出的“短程力”和“长程静电力”时,发现短程力在近距离(< 3 ??)占主导,表现为强烈的排斥;而长程静电力则在整个距离范围内都符合库仑吸引的定性趋势,在远距离成为主导。
模型甚至能合理地预测出钠离子周围水分子的“有效电荷”略有极化(氧端更负,氢端正电减弱),这符合基本的化学直觉。
徐嘉庆将这一结果整理成一份详细的实验报告,连同代码和可视化结果,提交给了张老师和王瀚师兄。张老师在视频会议中给予了高度评价:“非常漂亮的概念验证!清晰、干净、有说服力。它证明了你的核心想法——用神经网络处理复杂的短程部分,用可微的经典物理处理相对‘干净’的长程部分——是可行的,并且在这个简单体系上展现出了优于纯神经网络的潜力(尤其是在力分解的可解释性上)。这为你下一步在更复杂、更真实的体系上扩展模型,打下了坚实的基础。”
王瀚师兄则从应用角度提出了建议:“这个框架很适合我们做增强采样。如果模型能可靠地分解长短程力,我们或许可以设计更高效的采样策略,比如在长程力主导的区域用不同的步长或算法。”
虽然这离一个真正“可用”的通用分子力场还差得很远,但原型验证的成功,如同在黑暗中点燃的第一支火把,照亮了前进路径的可行性。徐嘉庆感到一种前所未有的、混杂着疲惫与巨大满足的充实感。他不仅仅是在“学习”,而是在尝试“创造”——创造一种新的、融合物理与机器学习的方法来理解分子世界。
期中之后,清华园迎来了短暂的、秋高气爽的“小阳春”。周末,许源和徐嘉庆难得地没有泡在图书馆或对着电脑。他们骑车穿过金黄灿烂的银杏大道,在二校门前驻足,仰望“清华园”的匾额;他们漫步在近春园的湖边,看残荷听雨轩的倒影在秋水中荡漾;他们登上气象台旧址的小山丘,俯瞰秋日阳光下红黄绿交织、宛如油画的校园全景。
“这就是清华的秋天。”许源看着远处图书馆的穹顶在阳光下闪耀,轻声说。
“嗯。”徐嘉庆应道,目光悠远。来到北京,进入清华,经历的一切——激烈的学业竞争,不期而至的恶意与风波,并肩作战的艰辛,以及最终在学术探索中寻得的巨大乐趣和初步认可——都如同这斑斓的秋色,交织成一幅浓烈而复杂的青春画卷。
“下学期,陈教授说如果我课业能跟上,可以尝试参与一个更具体的子课题,比如分析他们一组关于倾斜黑洞吸积的模拟数据。”许源说。
“张老师建议我把混合模型扩展到小的有机分子或肽链,并开始系统地在标准基准测试集上评估性能。”徐嘉庆接口。
他们交换着对未来的打算,语气平静,但眼中都闪烁着对前路挑战的期待。清华给予他们的,不仅仅是顶尖的课程和师资,更是一种“追求卓越”的氛围和“敢为人先”的平台。在这里,只要你愿意,并且付出足够的努力,就有机会在本科阶段,触摸到科学研究最前沿的脉搏。
“会很忙。”许源说。
“嗯。”徐嘉庆点头。停顿了一下,他看向许源,很轻地补充了一句:“但一起。”