—“这是根本性的矛盾,每个人都知道,但大家都不说,心照不宣。”这些可能性可以同时在脑子里,“哪天说不定有一个什么想法,有一条路就走通了。”
这听起来,像是对整场对谈的总结,也像是对AI时代所有人的建议:机器负责算得更快,人负责往未知里,再猜一次。
以下是张朝阳与文小刚的对话内容实录,有删节:
领域交界的地方,才容易做出新东西
张朝阳:文小刚教授特别希望做一些科普,还共同创办了“返朴”(科普公众号)。为什么?
文小刚:这些年我先是在普林斯顿工作,后来高温超导方向起来后,又回到了我的初心——我到普林斯顿本来就是为了做凝聚态物理,后来觉得那边高能物理太强了,不能丢掉这个机会;毕业之前高温超导被发现了,于是又去做凝聚态物理。
高温超导发现后,学界出现了很多新理论。这些新理论解释高温超导可能不成功,但拓展了人们的思维方式,带来很多新的进展,甚至改变了我们认识世界的方法。
由此我有个想法:应该把真正的物理前沿介绍给大众,这是做科学的人的一个责任。否则光在那里算,只有小圈子知道;推向大众、推向社会也是很重要的。但怎么推,是个问题。
张朝阳:也就是说,大众理解的“最先进的物理”其实已经过时了。
文小刚:对,有很多(科普)还在讲广义相对论,讲薛定谔的猫,那都是100年前的东西。最近几十年来真的有很多特别新的进展,这些东西能不能讲成故事?因为很重要的一点是,前沿科学已经来到另外一个地方了。
张朝阳:所以你先是冲着凝聚态去的,后来粒子物理特别火,高温超导之后又回到凝聚态。您在粒子物理研究中的训练,肯定对后来的凝聚态研究有帮助。
文小刚:这就是跨界的问题。我的研究生阶段接受的是粒子物理、高能物理的超强训练,后来做博士后转到凝聚态物理。
二者是不同的“世界观”,我跟别人讲我的东西,要准备两套语言。跟高能物理的老朋友讲,要用拉格朗日量(Lagrangian)的语言;跟凝聚态物理的新朋友讲,要用哈密顿量(Hamiltonian)的语言。这两套语言完全不能混,一混别人就听不懂了。
张朝阳:为什么需要两套语言呢?
文小刚:哈密顿量是凝聚态物理经常用的办法,它把时间作为一个特殊的维度分离出去,在空间上再来做研究。高能物理则把时间、空间放在一起——因为相对论通常是从时空的角度来讲,什么东西发生在时空上。凝聚态物理讲的是什么东西发生在空间上,但随时间演化;凝聚态物理里的时间是绝对的,跟空间不混淆。
张朝阳:这就好像您本来是“舞大刀”的,但这边需要用“长矛”,这很危险。
文小刚:最后两边都不算,就很惨。我当时在斯坦福跟着施里弗(John Robert Schrieffer)。他得了诺贝尔奖,就是标准的低温超导BCS理论里那个“S”。他有很全面的凝聚态物理背景,所以跟他做博士后,相当于把我的凝聚态物理背景补齐了。
做博士后时我就有了两套背景,都非常有优势:我看凝聚态物理问题可以用两个角度——既可以从标准的凝聚态物理角度来看,也可以用高能物理、超弦(superstring)的角度来看。这一点很重要:你跟别人都一样,不是优势;跟别人不一样才是优势。
也是因为有这两套背景,我早期几乎所有的工作,或者说做得比较好的工作,全是由于角度不同。
当学生的话,要尽量使自己跟别人不一样,多尝试。一般科学的新发现、增长点不在一个领域的中间,通常在两个甚至三个领域交界的地方,那里才容易出新的东西。
张朝阳:从人类对物质世界的认识来看,从牛顿的经典力学,到麦克斯韦的电磁场,再到爱因斯坦的引力场方程,后来又回到量子场论把物质和场统一起来,再到你现在的第5种观点,我们对物质世界的理解正在发生演变。
文小刚:我对新的物质形态特别感兴趣,而且它们是超出原来标准理论的东西。那时,标准理论就是朗道的对称性破缺理论,即理解相变的理论。所以当时的初衷就是研究各种各样的物质形态,而且是超出朗道标准理论的物质形态。
张朝阳:比如水变成冰,突然在一个临界温度发生,就是用朗道的对称性破缺来描述。
文小刚:世界上有很多物质形态。当时大家就问,为什么物质有各种各样的相、不同的状态?它的根本本质是什么?朗道提出一个很重要的观点:不同态的本质不同在于对称性不同,每一个相变都是对称性变化的过程。
张朝阳:比如水和冰的对称性有什么区别?
文小刚:水里的原子是随机的,水是均匀的东西;冰里面水分子有一个阵列式的排列,平移对称性就破缺了——要平移一段距离才能回到原样。所以水和冰本质的不同,不在于一个热点、一个冷点,而在于对称性。
这就是朗道的基本观点:对称性的变化导致相变,不同相的本质在于不同的对称性。
当时我从超弦转到凝聚态物理的时候,正是朗道理论如日中天的时候,所以我稀里糊涂就转过去了。当时有一位物理学大家看到我很诧异:你怎么现在转凝聚态物理?都做完了、没得做了,你转过来完全是时机不对。
那时候我也是懵懵懂懂,没有一个特别宏观的看法,只是觉得凝聚态物理好玩,就转过去了。但后来我的确有一个想法:我要做朗道理论解释不了的东西。
相变都能用朗道理论解释,但天上有几朵乌云,用朗道理论不太行。用朗道理论解释一些新现象,好像有一点困难。我们就集中精力做那些对朗道理论来说比较困难的问题。
因为朗道理论是标准的思路,做边缘问题需要新思路。新思路从哪来呢?拓扑序就是这么来的。
拓扑序是我在1989年提出的概念,是一种全新形态的物态。这个概念仅仅是一个名词,但作为物理学家,你提出一个新概念,背后就要有一套新理论。凝聚态物理有两座大厦基石,一座是朗道理论,另一座是朗道的费米液体理论。
如果你要有一个新的舞台,就需要一个新的基石,建一座新的大厦,而不仅是提出一个名词。从1989年到现在有30多年了,这座新大厦、新基石一直在发展。
它跟以前对称性的框架完全不同,1989年的时我就给它随便起个名字,就叫拓扑序。
张朝阳:所以你1989年做出来时,没有意识到它是纠缠,只是觉得它是新现象?
文小刚:后来随着量子信息科学的发展,我们开始觉得它们好像有关系,就去学习量子信息。15年之后终于学出点门道,2002年时,我灵光一闪,觉得“这个应该就是纠缠”,我把它定义为全局纠缠(global entanglement)。2002年到2010年,我研究了跟它有关的是什么样的数学形式;到2010年又引入了“长程纠缠”的概念——长程纠缠就是拓扑序。
数学需要证明,物理需要猜想
张朝阳:1989年你发现这个事情的时候,在数学表述(mathematical formulation)方面肯定也有一定的进展。我们说一说物理和数学的关系吧,物理学家会研究很多种情况,比如当年爱因斯坦借助黎曼几何找到时空弯曲的描述,还有最近获得菲尔兹奖的王虹和邓煜——邓煜的工作就是非常“物理”的,证明了从微观的可逆性到玻尔兹曼方程的不可逆。
文小刚:这是非常好的问题。数学家追求严格性:一个东西没有严格证明,他们是不承认的,会花很多时间去证明。物理学家没那么较真——只要我信的东西就信了,我就往前走。这对我来说很重要:如果追求严格性,我就走不动了。
我做研究的思路跟数学家的证明是相反的:我经常有很多猜想,猜这个猜那个。但我要有判断,哪个猜想是对的,哪个是不对的。一旦觉得这个猜想是对的,我马上接受它。
张朝阳:所以在物理学家看来,数学家特别累,要全部证明。物理学家总要赶路——我要去什么

