问一个预言第二次量子革命的物理学家

文小刚：做科学探索，没有预期的预期，是最好的预期

人物=P

文小刚=W

P：2016年10月，你因为拓扑序理论及应用获巴克利奖，而你最早提出这一概念是在1989年。27年过去，你的研究有了哪些突破，为什么拓扑物态逐渐成为凝聚态物理研究的热点？

W：世界上有很多物质态，像液态，气态，各种晶格，各种各样的铁磁、泛铁磁态，做凝聚态物理就是研究各种物质状态的。怎么用一个理论描写所有的物质状态呢？朗道（列夫・达维多维奇・朗道，因凝聚态特别是液氦的先驱性理论，被授予1962年诺贝尔物理学奖）就提出，物质的状态之所以不同是因为对称性不同，物质从一个相变到另一个相的相变，是一个对称性的变化。这就是很有名的朗道对称性破缺理论。长期以来，大家觉得郎道理论能描写所有的物态和所有的相变。所以很多人觉得凝聚态物理做到头了。因为有一个理论把所有的物质态都包括了，下来也没有什么好做的了。正是在这个背景下，我提出了拓扑序的理论。

当时我是在做高温超导，自旋液体，这个自旋液体呢，就是一个没有对称破缺、没有任何自旋排列结构，这样一个无序的状态。后来，我在理论研究中发现，有好几种不同的无序态，它们的对称性都完全一样。没法用对称性理论来区分。我就觉得，这里面有玩意，应该是以前没有发现的一个超出对称性的一个物质结构。我发现，这种类型的物质态，虽然不能够用对称性来区别它们，但是可以用其不同的拓扑性质来区别它们。所以我就把这种新状态叫做拓扑序。后来又花了差不多十几年的时间才明白，原来这个拓扑序就是多体量子纠缠的构形。量子计算、量子纠缠只有到1995年之后，才变得非常热门。但是早期拓扑序这个名字就留下来了，没有把它重新叫做量子纠缠序。

拓扑序这个概念的重要性，就在于它指出我们有一个未发现的新大陆新世界。而这一新世界中的主角，不是对称性，而是量子纠缠。这一新的世界观，甚至把物质材料理论跟基本粒子理论联系起来了。我们的真空本身可能就是一个物质，是由很多很多量子比特所组成的，量子比特中间有很多纠缠。如果这个量子纠缠合适的话，那么这一量子比特海就可以产生所有的基本粒子。这就回到150年前的以太的说法，麦克斯韦（詹姆斯・克拉克・麦克斯韦，经典电动力学的创始人）发现他的方程之后呢，他总觉得电磁波是某种媒介的波动。这种媒介被叫做以太。可是以太一直没有发现，大家就放弃了。现在以太又回归了，它就是高度纠缠的量子比特海。这一量子比特海不仅能给出光子，还能给出其它所有基本粒子。所以拓扑序量子纠缠，除了新的物质态之外，还能够对基本粒子起源提出一个新的看法。

P：每次物理革命都伴随着新数学的发展，你现在的研究又需要怎样的数学工具？

W：因为拓扑序所对应的多体量子纠缠是一个新现象，这时候就有意思了。新现象总是要用新语言来描写，而新的语言数学家有没有发明，就看你的运气了。这种新现象需要新数学，在历史上，发生过很多次。

第一次物理革命我们叫做机械革命。当时牛顿研究他的牛顿力学的时候，描写牛顿力学的工具还没有发明。牛顿很了不起，他既发明了牛顿力学，又发明了数学工具微积分。所以当时数学和物理是齐头并进的。

第二次麦克斯韦电磁革命，就运气一些。因为电磁革命所需要的数学语言，偏微分方程之类的，当时已经发明了。所以麦克斯韦不用发明新数学，只要拿来用就好了，用已知的数学就能描写电磁波现象。这一理论统一了电，磁，和光学现象。

第三次革命是爱因斯坦发明他的广义相对论。当时需要用到黎曼几何，爱因斯坦不太懂黎曼几何，所以他写他的理论时比较困难。但是黎曼几何已经被发明了，所以他学一学就可以把他的理论写出来。

量子力学呢，是第四次物理大革命，要用到的线性代数早就被发明了，所以不用再发明。量子力学是一个非常深刻的革命，它统一了波和粒子的概念，统一了频率和能量。

这次由拓扑序多体量子纠缠所导致的新的世界观，我把它叫做第二次量子革命。它不仅揭示了很多新的物质态的存在，还能用量子信息，来统一所有的相互作用，和所有的基本粒子。甚至连空间几何和其中的引力，也可能来源于纠缠的量子信息。多体量子纠缠是新的物理现象，其需要新的数学语言来描写。在这第二次量子革命中，物理跟数学是齐头并进的。它所用到的数学可能是所谓的张量范畴学，这也是现在数学家正在发展的一个理论。所以物理和数学会有很大的互动。物理学家研究的东西会告诉数学家，什么方向会最有意思，可能会有物理意义;那数学家可以告诉物理学家，可能有这个结构，这个性质，也许可以用到你的物理理论中。所以最近我也花很多时间来学数学，什么张量范畴学啊，代数拓扑学啊，很多这种东西。

P：大部分高能物理学家都持有还原论的观点，觉得基本粒子可以无限分到最小，将万物还原为简单基本定律。但是在凝聚态领域，更多学者支持演生论，不同层次的物质可以演生出全新的基本规律。你怎么看两种观点的分歧？

W：还原论基本上就是想找我们世界的基本构件，觉得几个基本的构件可以构造出世界的所有东西。还原论可以说是科学的主流，但是我们走到现在这个地步，已经发现电子、光子、夸克这些基本粒子。要要更深刻地理解世界，就需要把它们分成更小的粒子。这时候就有问题了：我们一直没有找到这些粒子的更小组成部分。也许到了现在这个阶段，寻找更小的基本构件，根本就是一个错误的方向。演生论的观点就是认为这些基本粒子根本没有更小的部分，进一步用分解的思路理解电子光子是错误的。错在它认为空间是一个空的舞台，而物质是这个空的舞台上的演员。这一分解的思路，还原论的思路，把空间和物质分隔开了。但是现在我们发现，空间和物质本身是一体的，空间本身不是空的舞台。空的空间是最复杂最丰富的东西。这是个很有哲理的观念。所以，我们认为真空本身是一个媒介，那这个媒介是由什么组成的呢？最简单的东西是量子比特。真空可以是一个量子比特的海洋，然后量子比特海洋的波动和缺陷就给出了所有的基本粒子。

某种意义上讲，演生论也有点还原论的哲理，但是它不是把物质分成越来越小的构件，它是把空间分成最小的构件，没有比量子比特更小更基本的东西了。基本构件本身不是用来构造物质，而是用来构造空间的。演生论跟还原论的不同之处在于演生论强调结构，强调纠缠，而通过纠缠的扰动形变来产生不同基本粒子。演生论不把基本粒子，看作构成宇宙的基本构件。

P：你说过“创新的生命力在小科学中”，为什么以高能物理、天体物理为代表的“大科学”在21世纪面临危机，而凝聚态领域的研究层出不穷？

W：我自己并不反对大科学，我也是很支持大科学的。像高能粒子物理的实验，它的条件是很苛刻的，只有通过建大型的设备才能探索新的基本粒子。天体物理也类似，需要大型的天体望远镜，卫星等等，才能看得更远更清楚。为什么大家觉得大仪器值得做？这是因为大仪器能探索新的参数空间，探索未知的世界。在这些从来没有被探索过的地方，有时就能看到新的东西。

目前呢，中国做大型加速器实际上是分两步走，第一个是正负电子对撞机，这个第一步能量并没有提高多少，但是电子数的强度提高了很多，所以能做细致的实验，也许能发现一些新东西。第二步呢，需要的一些新技术还有待解决，这个新技术就能增加很多能量。这里就有一个问题，对撞机的设计观念并没有太新，只是给它加大一号。可以说这种做法太暴力了。我更希望能有一个新的设计，一个从来没有的东西，像探测引力波的设计就是。

其实，大科学小科学都很重要，只是大科学需要更多的支持，需要说服别人，说能看到新的东西。但是一旦你说服的理由成立，那看的这个东西就不是真正的新东西，因为它已经有了名字，常常是理论上已经预言的东西。其实最好的理由应该是：我不知道能看到什么，我就是想去看看。做探索的思路跟做工程是不一样的，做工程是有预期的，做科学探索，没有预期的预期，是最好的预期。如果你看到预期的东西，其实是代表失败。所以现在的LHC看到了Higgs，大家说是成功了，但是这个成功是失败的成功。没有新发现。

所以说，当你要钱的时候呢，最科学的理由就是，我不知道能看到能发现什么东西，我也不能告诉你能发现什么东西，因为这些东西在发现之前连名字都没有。但这就可能要不来钱。小科学的话花钱没有那么多，可能就没有这个问题，你就可以随意地去探索，可能看到没想到的东西。有时你太为了某个目的设计实验的时候，为了看到已经知道的东西，反而可能看不到旁边一些没有想到的东西，会丧失发现新东西的机会。总的来说，科学探索是为了发现连名字都没有的未知，而不是发现有了名字的已知。

P：杨振宁先生在《美与物理学》中说，狄拉克（保罗・狄拉克，量子力学奠基者之一）给人感觉是“秋水文章不染尘”，而海森堡（沃纳・海森堡，量子力学主要创始人）的文章则朦胧、有渣滓。你做研究的风格是怎样的？

W：这个很难讲，你很难说一个艺术家他的审美观念是什么东西，但是每个艺术家都有自己的审美观念。很重要的是，我觉得每个人一定要有自己的审美，以自己的审美观点来发展自己的科学研究，这才有科学研究的多样性，才会有创新。现在国内的训练太标准化了，就是把每个人的审美都训练成一样，这样不是太有利。

P：2016年最关心的一项公共政策？

W：我比较关心的应该是两个方面的公共政策，一个是能源方面的，一个是污染方面的。能源方面，我希望有比较好的新能源政策，比如像电池、电动车，以后能形成一个汽车不用汽油的新时代。另外，我个人比较支持核能，未来要提高核能的比例。环境方面不仅仅是雾霾，我更关心的是沙漠治理，因为中国西北方面的沙漠特别大，如果能把沙漠治理好的话，中国的生存空间能增大很多。我们花了很大的精力很多的钱在小麦和水稻提高产量上，也许我们值得花同样多的精力和钱，来改良沙漠上的植物，能够改善沙漠。