2018年理论物理最高奖“狄拉克奖”揭晓，华人科学家文小刚获奖！
2018/8/11 13:01:04 中科院物理所
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8月8日，国际理论物理中心(ICTP)宣布，2018年理论物理狄拉克奖由三位物理学家分享。他们分别是哈佛大学的Subir Sachdev、芝加哥大学的Dam Thanh Son以及麻省理工学院的华人学者文小刚。他们对强相互作用多体系统中新型相态及相变的理解做出了独立贡献，并且创新性地引入了跨领域的研究方法。
对于文小刚，国际理论物理中心的官网报道这样评价：他创新性地提出了拓扑序的概念，并将其应用于研究有能隙的量子系统。他发现拥有拓扑序的态包含非平庸的边界激发，并且发展出量子霍尔系统边界态的手性Luttinger理论。在意识到量子霍尔态无法用一般的Landau paradigm来标志后，他发展出了新的分类方法。此外，他还揭示了量子序与纠缠间的深层联系。最近，他发展出了对称保护拓扑相的概念。这些观点与量子场论中的反常有着紧密联系。
文小刚是凝聚态物理领域的当代著名理论物理学家，现任美国麻省理工学院(MIT)终身教授、格林讲席教授，美国物理学会会士，加拿大滑铁卢前沿理论物理研究所(PI)牛顿讲席教授。1982年他毕业于中国科学技术大学低温物理专业。但由于对更宽广的凝聚态物理感兴趣，文小刚赴此领域的权威安德森(P·W·Anderson)教授所在的普林斯顿大学求学。但很快，普林斯顿大学一批年轻教授在高能物理领域的活跃主导地位，让文小刚在博士期间研究起了高能物理，师从当今物理学界大名鼎鼎的爱德华·威滕(E·Witten)。在博士后期间，文小刚重返凝聚态物理学研究领域。
文小刚拥有十分清晰的物理图像，他对量子多体系统有非常好的洞察力，他把凝聚态物理语言由狭义物态推广到宇宙普适，独立开创并发展了量子物态的拓扑序/量子序理论，和基本粒子的弦网凝聚理论。他的系列工作开辟了拓扑物态(topological state)、对称保护物态(symmetry protected state)、长程量子纠缠(long range entanglement)等物理新领域，进而提出了“信息就是物质”这一新的世界观，是当代理论物理了不起的启示录。
2016年，《赛先生》在北京专访文小刚教授，畅谈当代物理学研究的重大问题和他在探索解决这些基本问题时，设法彻底改变与宇宙对话的理论范式的研究道路。
本文摘编自2016年2月5日至2月8日发表于《赛先生》的文章《【华人之光Ⅰ】文小刚(上)：物理学新的革命》《【华人之光Ⅰ】文小刚(中)：“新颖”为什么比“正确”更重要？》《【华人之光Ⅰ】文小刚(下)：中国科学家该有“中国style”》，原文作者为时任《赛先生》记者潘颖。标题及部分图片为编者所加。
以下为专访选摘——
关于当代物理
就物理学的基础问题而言，人类一直追求万物起源这一问题，希望了解万物是从哪儿来的，基本规律是什么。直到今天，这个问题都还是物理学的最大梦想。但有人会说，这个问题不是已经解决了吗？我们有基本粒子的“标准模型”，有牛顿的万有引力理论，还有爱因斯坦的广义相对论，这些已经把我们的世界解释得清清楚楚，很让人满意了。但实际上不是这样的。在标准模型提出40年后的今天，没有一个物理学家认为标准模型是基本理论，大家都认为它只是一个近似的有效理论。基本粒子的起源到底是什么，不知道，这就是问题。
爱因斯坦的广义相对论是非常漂亮的，好像这么漂亮的东西应该是个基本理论。但实际上也不是。广义相对论也是一个近似的有效理论。为什么呢？因为爱因斯坦的广义相对论是一个经典理论，和量子力学格格不入，虽然它很漂亮，但它只是一个漂亮的经典近似，它是从什么样的量子的结构中出来的？也不知道。所以，有没有更基本的、更漂亮的量子结构能把广义相对论、引力和基本粒子都搞出来，我觉得这还是基本物理学最大的未决问题。
《尺度、法则和生命》(图源：Sean Lang)
我是做凝聚态物理的，为什么要谈这个高能物理的问题呢？因为在我看来，这个物理学最大梦想的答案可能就在凝聚态物理里面。虽然我们一直想弄清楚基本粒子、时空、引力的真正起源，但长期以来，进展甚微。在山穷水尽时，出路往往在意想不到的方向。1989年以来，我们在凝聚态物理的研究中，发现了新型物质态——拓扑物态。后来我们意识到，拓扑物态起源于复杂体系里的量子纠缠[1]。表面看来，拓扑物态量子纠缠和基本粒子的起源毫无关系，但我现在认为，它们是完完全全联系在一起的。也就是说，复杂体系里的量子纠缠是基本粒子、时空、引力的起源。这种解决问题的思路和以前很不一样。
以前的思路是，你要找一个东西的起源，都是要把它分解，来得到其组成和基本构件，分得越小就越基本。但现在考虑量子纠缠的话，解决问题的思路就变了。我们认为万物(基本粒子及空间)源于量子比特：空间是量子比特的“海洋”，基本粒子是量子比特的波动涡旋，基本粒子的性质和规律则起源于量子比特海中量子比特的组织结构(即量子比特的序)。新思路下，结构是更重要的。考虑结构会使我们对自然界的基本性质有更深刻的理解，这跟老思路考虑物质的构件很不同。二者的区别就好比，观察一根绳子时，是看它由什么分子构成的，还是看这根绳子的扭结结构是什么。老思路看重基本构件是还原论，而新思路看重组织结构(序)是演生论。
所以说，问题还是老问题，但由于最近凝聚态物理带来的一些新思维方式和新思想，也许会使老问题得到解决。
关于第二次“量子革命”
我们现在对复杂体系的量子纠缠的研究(即对拓扑物态的研究)，可以说是第二次量子革命。这一研究想要解决很多基本问题：它首先要统一所有基本粒子，把光和电子统一，也要把引力和空间统一进来。就是想统一这些很不同的现象。比如说要统一光子和电子，这好像很困难，因为光子和电子，一个是玻色子，一个是费米子，差太远了。但我们最近就发现，这好像是可能的。因为，量子比特海中的量子比特会有一种叫“长程量子纠缠”的现象，这量子比特海中的波可以是光波，量子比特海中的“涡旋”可以是电子。这说明光子和电子是可以被统一描写的。但我们面临的局面，跟牛顿当时面临的情况一样，长程量子纠缠是个新现象，没有现成可用的数学方法，可能需要我们发明新的数学。
从这个意义上讲，对复杂体系的量子纠缠的研究，就有点“革命”的意味了。第一，我们要统一的各种现象，非常基本的现象，像电子、光子、引力，各种各样的相互作用，都要以同一个框架来理解它。第二，我们要研究探索新的物质态——拓扑物态。拓扑物态有可能成为量子计算的理想媒介。这些都源于一个基本物理现象——长程量子纠缠。
但我们发现长程量子纠缠可以非常复杂和丰富。它也非常新，新到我们现有的数学都无法描写它，可能需要发展新数学。现在很多数学家也在做这个工作。由于这些原因，我认为，我们现在遇到了物理学的一个新的大发展的机遇，这就是量子纠缠。
长程量子纠缠是凝聚态物理里的新的物质态起源。它又可能是基本粒子的起源。这是因为我们可以把真空本身看作一种物质态，一种很特殊的、高度纠缠的物质态。此外，它还和量子计算机有关，因为长程量子纠缠可作为量子计算的理想媒介。最后，它又跟现代数学有关，因为量子纠缠需要新的数学。当物理学需要某种新数学时，这一数学就会蓬勃发展起来。综合考虑下来，我觉得第二次“量子革命”已经来临。这是一个非常激动人心的事情。
但是长程量子纠缠能不能统一粒子物理中的四种相互作用？能不能更进一步统一光和电子？能不能统一所有基本粒子？我认为是可能的。我这么认为，是因为我很熟悉量子纠缠。我明确地感觉到，也深深地相信，长程量子纠缠能统一所有基本粒子。但量子纠缠太新了，一般只有学量子信息和凝聚态物理的人比较熟悉，一般学物理的人都不熟悉量子纠缠，所以他们自然而然也不从这个角度想问题，不见得认同这种观点，或者说他们还没能理解到，反正就是看不出来量子纠缠和基本粒子的统一有什么联系。但这要以后再慢慢看，看看这种观念能不能传播到高能物理的基本粒子理论里头去，我觉得可能需要一些时间。
关于“猜”的学问
当一个未知的事物出现的时候，我们怎么去了解它，甚至连描写它的语言都没有的时候，我们该怎么思考呢？一个做物理的人怎么能想到这些全新的东西？这就要敢想敢猜。我经常说，要有非逻辑的思考，要有天马行空般的联想。多猜一猜，也许慢慢就能拼凑出来，是怎么一回事儿了。
很多中国学生由于高考的原因，受到的科学训练非常严格，但严格都严格在计算上，就是题已经出好了，你给我算出来。学校教育就是告诉你一大堆知识，你把它吸收掉。学生都是在吸收知识、消费知识，做计算，然后掌握知识，学校不太注意让大家去胡思乱想，去猜。但是做研究，猜是特别特别的重要。如果仅凭推导演算的话，那就完蛋了。为什么呢？因为你推导演算什么问题，你总得有个数学框架，有个什么东西供你去推导演算，这些都是老东西，都是在以前的框架里头琢磨，所以光推导演算的话就跳不出那个框子来，得不到新的东西。
(图源：gaosan.com)
物理革命中出现的都是全新的东西，理论提出以前，连名词、语言都没有，什么都没有，你怎么去想，怎么推导演算，这是一个基本问题。其实我也不知道怎么想，我经常也做得不是太好。但我觉得，就算什么都没有，也能想。这是非逻辑的、片断的、互相矛盾的思考猜测。但吭哧吭哧这么搞，最后也许就能拼凑点什么出来。做物理创新，需要在什么都没有的情况下，还能够去做工作。
强调新颖比正确更重要，是强调大胆猜想，对不对以后再说。如果你光寻求正确的话，不容易跳出原来的框框。如果你想新东西，哪怕它不正确，哪怕自相矛盾，说不定以后修修补补能把这矛盾解决掉，也许还能有个全新的东西跑出来。而且一般来说，就算你想错了，事后大家查一查，发现哪里错了，也容易修正。但如果你连个想法都没有，那就什么都没有了，也就无所谓修正不修正了。
我是鼓励我的学生猜，但不太容易。因为这种思路等人到了研究生阶段已经比较难培养了，实际上小学生的时候就应该这么想。至于带研究生，我主要还是教学生们一些研究的经验，鼓励学生一起讨论问题，希望从我们讨论问题的过程中，让他们学到我的一些思考方法。其中关键是，脑子里要有很多很多对自然的疑问，这个很重要，有这些问题的话，你才能老去想去猜这些问题的可能的解决方法。因为这些问题蕴含了很多矛盾，你得猜怎么能把它们凑在一起。不一定要用推导的办法来解决这些矛盾，主要是东凑凑、西凑凑，东猜猜、西猜猜的这种思路。但这跟中国现在的教育方式有很大冲突。
我是在文革中上小学、中学，种种机遇，碰巧培养了这样的思路。我喜欢看各种各样的书，但在文革时期，也没有什么书好看。科学书就两种，一个是《十万个为什么》，一个是《科学小实验》，这两套书我看了不知道多少遍。但这种书对一个小学生来说比较吃力，它讲了很多有关自然现象的知识，但真正的科学的背景原因我并不知道，所以一堆东西就这么乱七八糟塞进了脑子，各方面也凑不到一起。
到我上大学的时候，开始读各种各样的科普文章，也是乱七八糟的东西凑在一起，脑子里就跟一锅浆糊似的。你总是觉得一锅浆糊不好，总会想着怎么把它排一排，顺一顺。科学知识没学到家的时候，就是自己胡诌一通，硬凑到一起。但这个过程特别重要，我一天到晚就在那猜猜想想，得到很好的锻炼。反倒是假如已掌握的知识都齐了，思维就死了，猜猜想想的锻炼也没了。课本上把什么事情都解释了，就把你猜的机会也给剥夺了，一看到这个现象就知道是这个知识解释，看到那个现象就知道是那个知识解释，自己就不去想了。所以，在学习课程之前，碰到一个现象，就自己先去想想，想法不见得对，但过程特别重要。一旦你脑子里有了这个问题的思路以后，你知道上一门课到底是要解决什么问题，这样上课效率就会很高。这是我自己学习的一个很重要的经验，我称之为“零碎学习”，就是零零碎碎、莫名其妙搞一大堆东西，然后自己试着拼拼凑凑，猜来猜去。上课的时候也按着安排上，课堂知识能解释很多疑惑，但你还是有很多其他东西可以继续猜啊想啊，养成这种猜想习惯。
关于好的工作
做科学，首先要放弃把金钱作为做科学的价值观。因为科学追求一种美，这点和艺术是相通的。虽然有人做艺术的初衷，是做艺术可以多赚钱，但这样的人一般很难做成大家，可能赚钱上比较成功，但如果以对艺术的贡献来评价的话，就很可能不成功。同样地，科学想要的是开拓新知识，你要想怎么努力才能创新，才能得到更多的新知识，这里是没有金钱价值观的位置的。科学是以好奇心、求知欲为动力的。你觉得这东西好玩、有意思，就行了，这点跟艺术很像。在艺术上，画什么样的画，什么是好什么是不好，都是你自己觉得好就好了，你自己喜欢这样就这样。
(图源：sloanesolanto.com)
所以我觉得，做科学，研究人员要以好奇心，以自己对美的判断来判别哪个工作好哪个工作不好，哪个方向好哪个方向不好，自己到底该怎么做，这样才是比较合适的。但是什么叫做“好”呢，基本上你自己觉得是好的就好了。同时你也希望，自己对好的标准的判断能够被大家认可。你欣赏的东西，大家也欣赏，大家也跟着做，这样就形成了自己的风格，引导了一个潮流。有一些工作，是短期大家就能认可的；而有一些工作，要经历比较长时间才能被认可。如果你有一个“艺术”价值观，你就能坚持自己的看法，坚持自己对美的追求。所以我说中国人要有自信，要能自己制定“好”的标准。如果你觉得好你就做，别人觉得你做得好，会跟你一起做，你的风格就起来了，你就变成引导潮流的了。而如果你老是没有这种自信，不这么做的话，永远成不了大家。我们上学固然是为了学知识，但更重要的是，我们希望在学习的过程中，建立起好的价值观，培养好的审美能力。这样你自己欣赏的东西，别人也会欣赏。用你的欣赏力作为指导，做出的东西，以后会成为能留下来的东西，是别人喜欢跟你一起做的东西。
由于每个人对美的定义都不一样，所以科学有各种各样的风格和形式，非常丰富，不容易形成一个唯一的学派，这样整个环境就比较健康，这点是科学和艺术相似的地方，所以做好科学的思想方法跟做好艺术的思想方法是很接近的，都要建立在对美的追求上。科学发现的过程和艺术创作也有相似的地方。作画是在一张白纸上画东西，有点无中生有的意思；科研创新也有无中生有的过程，要走别人没走过的路，在一片空白的地方慢慢做出个新的东西来。这个过程要你构思从大框架到小框架的所有细节，而不是在已经有了框架的地方去加点东西填空，不是找答案，不是解题。科学家和艺术家都强调创造性，而不是强调实用性。
虽然不是强调实用性，但科学是有基本底线的。科学的东西都是可以被验证的。一般来讲，“民科”是最创新的。他们自己有些想法非常好，那种思维方式我也很赞同。但有一点是，他们好多论述是不科学的，也就是不能被证伪的。如果不能被证伪的话，那就变成没有意义的东西了。所以你首先要学会，如何说有意义的能被证伪的论述，哪怕说错了也没有关系，只要有意义。说得多了，总能说对一次。但如果论述不能被证伪，那比错的论述还差劲，这样就会有问题。所以大学或者研究生的训练，会让你知道，哪一些论述是可以被检验对错的。要懂得怎么说出有意义的话，需要一些严格的科学训练，如果光强调创新就会有问题。
[1] 量子纠缠是量子体系状态的性质：量子力学中不能表示成直积形式的态称为纠缠态。举例说明：考虑两个体系(如两个比特)，每个体系有两个态，0和1，那么两个体系总共就有四个态：00、01、10、11。在量子力学中，我们有新形式的存在——这些态的“混合态”。(这种新形式的存在没有经典对应，是量子力学的新概念。这也是量子力学的精髓。)我们用00+11 来标记这种新形式的存在，其代表00和11的“混合态”，00-11是另一个这种新形式的存在，其代表另一个00和11的“混合态”。类似00+01+10+11是00、01、10，和11的“混合态”。00+11和00-11都是纠缠态，因为其中第一个体系，既不是处于1态，也不是0态，甚至不是0和1的任意一个“混合态”。其第一个体系到底是处于1态还是0态，与第二个体系是处于1态还是0态有关。这就是量子纠缠。00+01+10+11不是纠缠态，因为其中第一个体系总是处于0和1的一个“混合态”，x态，x=0+1，和第二个体系无关。第二个体系也总是处于0和1的一个“混合态”，x态，x=0+1，和第一个体系无关。这是因为xx=(0+1)(0+1)=00+01+10+11。
纠缠态之间的关联不能被经典地解释。所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题。
(该定义为文小刚所加)
文章头图及封面图片来源：李晓明
来源：赛先生
编辑：椒盐猫卷饭
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