文小剛，理論物理學(xué)家，美國麻省理工學(xué)院終身教授，《賽先生》主編
商白（未來(lái)論壇記者）
本文經(jīng)授權轉載自“未來(lái)論壇”
猶太人有句古老的諺語(yǔ)：人有三樣東西是無(wú)法隱藏的——咳嗽、貧窮和
即使隔了半個(gè)地球，在談起研究和創(chuàng )新時(shí)，文小剛仍會(huì )流露出不加掩飾的激動(dòng)和熱情。那一刻，你甚至能感覺(jué)出電話(huà)那頭的他笑得瞇起了眼睛。
當地時(shí)間2016年10月11日，美國物理學(xué)會(huì )宣布，將2017年Oliver E. Buckley獎頒發(fā)給美國麻省理工學(xué)院文小剛教授和加州理工學(xué)院Alexei Kitaev教授。未來(lái)論壇就此對文小剛教授進(jìn)行了采訪(fǎng)。
文小剛：拓撲序的理論是我在1989年首先提出來(lái)的。1989年的時(shí)候，很多人在做高溫超導體，其中一個(gè)方向是用自旋液體來(lái)理解高溫超導體。當時(shí)我跟Anthony Zee（徐一鴻）和Wilczek一起研究手征自旋液體。我發(fā)現有許多不同的手征自旋液體，它們可以有完全相同的對稱(chēng)性，這是非常奇怪的現象。因為以前大家公認，朗道對稱(chēng)性理論可以描寫(xiě)所有的物態(tài)，但是我發(fā)現，有很多不同手征自旋液體，對稱(chēng)性完全相同，所以不能用朗道對稱(chēng)性破缺理論來(lái)區分它們。這就表示，這些手征自旋液體中間有新的序，是不能用對稱(chēng)性來(lái)抓住的。這個(gè)就是我當時(shí)提出拓撲序的動(dòng)機。拓撲序是一種新的物質(zhì)組織結構，它完全超出了朗道對稱(chēng)性破缺理論，是一種新的物態(tài)。因為是一種新的物質(zhì)態(tài)，要起個(gè)名字，所以我當時(shí)就把它叫作“拓撲序”。原因是拓撲序跟超弦里的拓撲場(chǎng)論有些關(guān)系。拓撲就是這樣跑到凝聚態(tài)里面去了。以前拓撲不是來(lái)描寫(xiě)物質(zhì)態(tài)的，都是用來(lái)描寫(xiě)它的缺陷、渦旋之類(lèi)的。這次是第一次用“拓撲”這個(gè)詞來(lái)描寫(xiě)一個(gè)新的物質(zhì)態(tài)?！巴負鋺B(tài)”、“拓撲相”這些叫法大概就是從這里開(kāi)始的。
總的來(lái)說(shuō)，以前大家都覺(jué)得對稱(chēng)性破缺能用來(lái)描寫(xiě)所有的相和相變，覺(jué)得對相和相變已經(jīng)完全理解了。拓撲序的發(fā)現表明對稱(chēng)性破缺理論不完備，新的一類(lèi)物質(zhì)態(tài)是不能用對稱(chēng)性來(lái)描寫(xiě)的，這種新的物質(zhì)態(tài)就被命名為拓撲序。
文小剛：先來(lái)說(shuō)說(shuō)諾貝爾獎。今年的諾貝爾物理學(xué)獎獲獎成果包含好幾個(gè)方面的工作，其中之一就是所謂的“KT相變”。KT相變是拓撲缺陷所導致的相變，但它并不是拓撲相之間的相變，是通常相的相變。另外兩個(gè)工作都是和拓撲相有關(guān)。第二個(gè)是關(guān)于有的拓撲相中的整數霍爾效應，獲獎工作是發(fā)現整數霍爾效應跟數學(xué)里的陳省身示性類(lèi)有關(guān)系。第三個(gè)是霍爾丹相?；魻柕は嗍窃缙诎l(fā)現的另外一個(gè)拓撲相。1989年我們通過(guò)手征自旋液體提出了拓撲序的概念。實(shí)際上，比這更早的時(shí)候，霍爾丹在一維的自旋鏈上也發(fā)現一個(gè)自旋液體相，而這個(gè)相是一個(gè)有能隙的相。本來(lái)大家以為一維自旋鏈上的自旋液體都是無(wú)能隙的。所以霍爾丹提出一個(gè)有能隙的相，大家就覺(jué)得很奇怪，但是當時(shí)做的時(shí)候并沒(méi)有認為它是一個(gè)超出對稱(chēng)性破缺的相，覺(jué)得它還是可以用朗道對稱(chēng)性破缺理論來(lái)描寫(xiě)的。后來(lái)，通過(guò)很多進(jìn)一步的工作，發(fā)現有能隙的相有許多奇奇怪怪的現象，大家才開(kāi)始懷疑霍爾丹相是不是拓撲相？這個(gè)問(wèn)題到了2009年時(shí)才完全搞清楚。顧正澄和我發(fā)現霍爾丹相是一個(gè)沒(méi)有拓撲序的相，但由于對稱(chēng)性，它又不是一個(gè)平凡相。也就是說(shuō)它本身并沒(méi)有拓撲序，但是由于它有對稱(chēng)性，再加上一些特殊的性質(zhì)，使它像拓撲序一樣，同樣不能被朗道對稱(chēng)性破缺所描寫(xiě)。我們當時(shí)把這種新的物質(zhì)相命名為對稱(chēng)性保護拓撲相。
顧正澄和文小剛利用張量網(wǎng)絡(luò )計算發(fā)現Haldane相是一個(gè)沒(méi)有拓撲序的對稱(chēng)保護相。揭示了Haldane相的本質(zhì)。
所有這些各種各樣新的思路和發(fā)展，吸引了很多人的興趣，有很多人進(jìn)入到這個(gè)領(lǐng)域來(lái)做。最近拓撲物態(tài)這么火有兩個(gè)原因。一個(gè)原因就是我剛才提到過(guò)的，朗道對稱(chēng)性破缺理論這么多年以來(lái)都是占主導地位，大家覺(jué)得所有的相和相變都是由對稱(chēng)性來(lái)描寫(xiě)的，凝聚態(tài)物理已經(jīng)算是“結束了”，已經(jīng)有一個(gè)非常完美的理論把所有的物質(zhì)態(tài)都概括了。但是，像自旋液體這樣的新物質(zhì)態(tài)的發(fā)現和拓撲序的提出，使得大家開(kāi)始慢慢意識到，對稱(chēng)性破缺理論可能并不能描寫(xiě)所有的相，我們以前完全沒(méi)有預料到的一個(gè)新世界展現在大家眼前，出現了一個(gè)老的理論完全不能描寫(xiě)的“新大陸”，這就引發(fā)了眾人的興趣。我們發(fā)展了許多新的理論、新的思路、新的看法，做新的實(shí)驗，來(lái)探索這個(gè)新領(lǐng)域、新方向。這是非常令人激動(dòng)的。另外一個(gè)原因是到2006年以后，有一類(lèi)超出朗道對稱(chēng)性破缺理論的相—拓撲絕緣體被發(fā)現了。拓撲絕緣體也是一種對稱(chēng)保護拓撲相。實(shí)驗很快制造出了這種材料，有很多實(shí)驗是來(lái)實(shí)現拓撲絕緣體的。因為與實(shí)驗有關(guān)系，所以有許多人感興趣。
總體而言，拓撲物態(tài)代表了一個(gè)“新大陸”，它的理論和實(shí)驗都是新的、超出對稱(chēng)性破缺理論的。因為這些原因，大家都對拓撲物態(tài)非常感興趣。
文小剛：一開(kāi)始，拓撲序這個(gè)概念的引入是為了推廣發(fā)展一些新的物質(zhì)態(tài)，所以它的應用初衷是在材料上，會(huì )有新類(lèi)型的材料出現。比如說(shuō)有些拓撲序材料的邊界具有零電阻，這種材料在電子器件上會(huì )有很多應用。之說(shuō)以說(shuō)現在這方面材料在電子器件上的應用還有點(diǎn)早，是因為那些找到的拓撲序材料要在極低溫下才能展現拓撲序的特性，室溫下這些現象就都沒(méi)有了。所以找到一種高溫拓撲序材料是目前材料上一個(gè)很重要的方向。
當時(shí)提出拓撲序的時(shí)候是1989年，那時(shí)量子計算這個(gè)領(lǐng)域還沒(méi)有起飛，還只是剛剛開(kāi)始。90年代后，量子計算成為了一個(gè)很活躍的領(lǐng)域。但是量子計算里有一個(gè)問(wèn)題，就是量子計算機受環(huán)境影響非常嚴重，環(huán)境稍微有些影響它就不工作了。這跟我剛才說(shuō)的零電阻導電表面在高溫下不工作是一回事。我當時(shí)提出拓撲序，是通過(guò)拓撲序的一個(gè)特征—不受環(huán)境干擾的基態(tài)簡(jiǎn)并度。所謂基態(tài)簡(jiǎn)并度可以看成是演生的量子比特。拓撲序演生的這種量子比特自動(dòng)不受環(huán)境影響，總是保持一個(gè)非常理想的相干狀態(tài)。當時(shí)我用這種不受環(huán)境影響量子比特來(lái)定義了拓撲序這個(gè)概念。
Kitaev在90年代發(fā)現我們可以利用這種不受環(huán)境影響的量子比特作為信息的載體，來(lái)實(shí)現拓撲量子計算。因為量子比特不受環(huán)境影響，其所帶量子信息又不受環(huán)境影響一而損失，所以拓撲量子計算自然而然地就屏蔽掉了環(huán)境的影響。
當然，拓撲量子計算也有問(wèn)題，它必須要有拓撲序才能實(shí)現。像拓撲絕緣體、霍爾丹相都沒(méi)有拓撲序，所以這些相都不能實(shí)現拓撲量子計算。拓撲序需要低溫，室溫下的拓撲序現在還沒(méi)有找到。這是一個(gè)問(wèn)題。
拓撲計算是一個(gè)非常好的想法，是拓撲序的一個(gè)應用，這個(gè)理論上的想法非常吸引人。量子計算非?！凹t火”，很多人都在這方面進(jìn)行著(zhù)研究，但是做拓撲量子計算的前提就是要比較容易地實(shí)現拓撲序，這又是材料的問(wèn)題。這是一個(gè)瓶頸。拓撲量子計算目前還是一個(gè)理論上的想法，要實(shí)現的話(huà)首先要找到不在苛刻條件下就有拓撲序的材料。
文小剛：是這樣的。首先，“時(shí)空的本源”現在還只是一個(gè)說(shuō)法，目前比較明確的是量子糾纏是所有基本粒子的本源。所有基本粒子都是量子信息的一些波動(dòng)、缺陷和擾動(dòng)。這是一個(gè)物質(zhì)和信息大統一的圖像。實(shí)際上，所有的物質(zhì)都是信息。信息和物質(zhì)是區分不開(kāi)的。
這一圖像，來(lái)源于下面的看法。我們的空間是一個(gè)量子信息的量子比特海，空間本身就是由量子比特所組成的，沒(méi)有量子比特就沒(méi)有空間的概念。這是第一個(gè)出發(fā)點(diǎn)。就像水在海洋里會(huì )形成水波和氣泡，氣泡是缺陷，水波是運動(dòng)模式。量子比特海里也會(huì )有類(lèi)似的氣泡、漩渦、波動(dòng)這種運動(dòng)模式的出現。這種運動(dòng)模式正好對應于我們的光子、電子、夸克這些基本粒子。以前大家覺(jué)得這是做不到的，因為夸克、電子、光子有很多特別根本性的性質(zhì)，比如說(shuō)電子和夸克是所謂的費米子，光子是所謂的玻色子，而且光子又由所謂的規范場(chǎng)來(lái)描寫(xiě)。這些都是特別特別基本和神秘的性質(zhì)。但是量子比特太簡(jiǎn)單了，只有0和1。所以以前大家覺(jué)得量子比特海的波動(dòng)怎么也激發(fā)不出不來(lái)費米子和規范場(chǎng)。但是這個(gè)觀(guān)念在拓撲序的概念推出之后有所改變。因為拓撲序就是量子比特長(cháng)程的糾纏，這種長(cháng)程的糾纏，使得簡(jiǎn)單的量子比特能夠產(chǎn)生費米子和規范場(chǎng)。最近我們的工作進(jìn)一步發(fā)現，有一種量子比特的長(cháng)程糾纏能產(chǎn)生現在的宇宙中所有觀(guān)測到的基本粒子。這條思路基本快走通了。以前大家覺(jué)得這條路走不通是因為沒(méi)有考慮有長(cháng)程糾纏有拓撲序的量子比特。沒(méi)有拓撲序沒(méi)有長(cháng)城糾纏的量子比特海只能出來(lái)一些很簡(jiǎn)單的玻色子，但是光子、電子和夸克都出不來(lái)。由于拓撲序的引進(jìn)，我們發(fā)現有長(cháng)程糾纏的量子比特海里，基本粒子都能出來(lái)。
現在還有一個(gè)基本粒子，就是引力子，還沒(méi)搞出來(lái)。我們基本上可以搞出所有的基本粒子，除了引力子之外。引力子對應的就是時(shí)空。時(shí)空本身的運動(dòng)就是由引力波、引力子來(lái)描寫(xiě)的。糾纏能否出來(lái)引力波、引力子是目前還在研究的一個(gè)問(wèn)題，目前還沒(méi)有成功。我們還沒(méi)有發(fā)現一種量子糾纏可以產(chǎn)生引力波、引力子，還沒(méi)有找到。所以目前這點(diǎn)還是一個(gè)疑問(wèn)。但是目前發(fā)現量子糾纏和時(shí)空幾何有非常密切的關(guān)系，所以這又給了我們一些信心，也許我們能找到一個(gè)量子糾纏能夠產(chǎn)生引力波和引力子。這是目前的研究狀況。
文小剛：就是好奇心吧。就是感興趣，想了解未知的世界，被好奇心驅使就這樣一路走來(lái)。因為有了好奇心就會(huì )發(fā)現一些未知的東西，未知的東西又引起了更多的好奇，好奇心越來(lái)越強烈，能看到越來(lái)越多未知的東西。
有的時(shí)候，做到一定程度，會(huì )覺(jué)得什么都知道了，沒(méi)什么好做的了。就跟我剛才說(shuō)的朗道對稱(chēng)性破缺理論一樣。這個(gè)理論好像已經(jīng)很全面了，描寫(xiě)了所有的物質(zhì)態(tài)，這樣就進(jìn)入了一個(gè)瓶頸，一個(gè)死胡同。我比較走運，由于好奇心，導致我發(fā)現了一些以前沒(méi)發(fā)現的東西，發(fā)現新東西的結果是意識到有更多的新東西還沒(méi)有被發(fā)現，所以總是覺(jué)得有很多事做也做不完，總是有很多東西要去探索，好奇心就像滾雪球一樣，越滾越大。這些新東西本身也代表了第二次量子革命，這也可以說(shuō)是拓撲物態(tài)變得這么受歡迎的原因，因為它代表了一個(gè)新世界，有待被發(fā)現。所以我也做得很來(lái)勁。
文小剛：對我來(lái)說(shuō)倒是沒(méi)有什么困難，但是有這樣一個(gè)經(jīng)歷。就是我做研究生的時(shí)候，實(shí)際上不是做凝聚態(tài)物理的，而是做高能粒子物理的。當時(shí)粒子物理做得很數學(xué)，指標定理、微分形式、纖維叢這些在高能物理中用得很多。后來(lái)在我做研究生的中間時(shí)，超弦理論又出來(lái)了，那時(shí)又開(kāi)始做超弦，也用到了這些比較數學(xué)的東西。在研究生畢業(yè)的時(shí)候，高溫超導又出來(lái)了。我在大學(xué)的時(shí)候是低溫物理專(zhuān)業(yè)的，也是凝聚態(tài)物理的。所以高溫超導出來(lái)之后我又覺(jué)得高溫超導也挺有意思的，所以業(yè)余的時(shí)候又做了一些高溫超導。
我在圣巴巴拉做的博士后，那時(shí)候可以說(shuō)是一個(gè)轉折點(diǎn)，猶豫了一段時(shí)間，思索是做高能物理、超弦，還是做高溫超導。后來(lái)決定轉行做高溫超導。所以我是按照弦論的名額被招來(lái)的博士后，到了圣巴巴拉之后就沒(méi)有做弦論，一直做高溫超導，做自旋液體，后來(lái)就做到了拓撲序和邊界激發(fā)這些東西。對我來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)挺重要的轉折點(diǎn)。
轉方向對我來(lái)說(shuō)也有很多好處。以前高能物理和弦論的那些數學(xué)背景和理論背景最后都用到了凝聚態(tài)物理里頭。因為我的背景和一般做凝聚態(tài)的人不一樣，所以我對于問(wèn)題的看法和角度也不一樣，因為這個(gè)原因也占了很多好處。有不同的角度可以看出些新東西來(lái)。
當然，轉行最重要的是要能說(shuō)新領(lǐng)域的語(yǔ)言。因為不同的領(lǐng)域用的物理語(yǔ)言是很不一樣的，必須要學(xué)會(huì )使用新領(lǐng)域的語(yǔ)言、說(shuō)法和思路。在博士后時(shí)，我學(xué)習了高溫超導的一些語(yǔ)言和方法，加上我過(guò)去弦論和高能物理的語(yǔ)言和方法，兩方面相結合，我就有了很多的優(yōu)勢。
文小剛：“真”和“美”都是我所追求的。“美”是求“真”的辦法和道路，通過(guò)“美”來(lái)得到真理。我剛才提到過(guò)，科學(xué)家要知道那些“未知”?？茖W(xué)的最前沿不是把已知的那些東西用來(lái)用去，是要發(fā)現未知的東西，把未知變成已知。只有知道有問(wèn)題之后，才可以繼續做下去，把問(wèn)題解決掉。解決問(wèn)題的過(guò)程就是求真。但是如何提問(wèn)題，怎么才能發(fā)現未知的世界，這是比較困難的。因為未知的世界連名字都沒(méi)有，想都沒(méi)法想。申請基金，寫(xiě)計劃的時(shí)候都沒(méi)法提。你更沒(méi)法跟別人講為什么這個(gè)東西這么重要，因為這個(gè)東西連名字都沒(méi)有！但這恰恰是所有創(chuàng )新的根源。要探索未知的世界，你需要先知道那里有一個(gè)未知的世界，然后去闖。在這個(gè)層面上的研究要以什么做指導？這時(shí)候就要以“美”來(lái)做指導。我所說(shuō)的美從某種意義上說(shuō)是一種價(jià)值觀(guān)，你覺(jué)得某種東西挺有趣的，就想去研究，別人可能覺(jué)得沒(méi)有意思，但你覺(jué)得有意思，你自己覺(jué)得有意思就大膽去做就是了。
文小剛：Exactly. 就是passion，發(fā)燒友的精神。你對它就是放不下，放不下就不要放。放不下是因為你覺(jué)得這個(gè)東西好玩，就是我說(shuō)的“美”。你堅持自己對“美”的看法，做下去。別人了解你之后，也會(huì )欣賞你放不下的這種東西，就一起來(lái)做。加入的人越來(lái)越多，最后就變成了一個(gè)研究的大方向，成為一種世界潮流。我強調的“美”就是這樣的東西。所以引領(lǐng)潮流是從這兒開(kāi)始的。
我之前在中國見(jiàn)過(guò)一個(gè)學(xué)生，他說(shuō)自己什么都能做好，考試全校第一、奧數金牌之類(lèi)的，北大清華這類(lèi)頂尖學(xué)校他也上了，一個(gè)典型的學(xué)霸。但是在我看來(lái)，他好像丟失了靈魂。他追求的都是別人設立的標準，但是沒(méi)有自己的追求、自己的興趣。
對于做創(chuàng )新研究來(lái)說(shuō)，創(chuàng )新的定義就是樹(shù)立自己的標準，讓別人來(lái)跟；而不是按照別人的標準，把東西做得更好。
文小剛：在科研方面，目前國內對科研的資助是很不錯的，雖然大項目可能不容易，基本的科研環(huán)境和資金是能拿到的。但是國內的問(wèn)題還是政策導向的問(wèn)題?，F在國內的政策導向過(guò)于強調“按照別人的標準，把東西做得更好”，這種思路還是主流。比如要發(fā)表多少篇文章，要在好的刊物上發(fā)表文章之類(lèi)。這種壓力還是很大的。做現在大家都在做的、最時(shí)髦的東西也許更容易讓自己的文章發(fā)表，這種思路的確可以把研究的“量”帶起來(lái)。但是有的創(chuàng )新工作在一開(kāi)始的時(shí)候會(huì )很寂寞，別人覺(jué)得你的東西不重要。有的創(chuàng )新工作可能很幸運，一開(kāi)始就有別人跟上來(lái)，一開(kāi)始就比較轟動(dòng)，但很多的創(chuàng )新都并非如此。所以要給這些寂寞的人生存的空間，而且研究人員也要有自信，敢于堅持自己認為好的東西。從國家政策來(lái)看，其實(shí)應該支持這種自己做創(chuàng )新的人。因為中國人很多，如果很多人創(chuàng )新，總會(huì )有人真的能做出新東西來(lái)，那樣立刻就能引領(lǐng)潮流。
文小剛：物理跟技術(shù)、工業(yè)界有很緊密的聯(lián)系，許多新發(fā)現都可以直接變成新應用。在另一個(gè)極端上，物理又在探索知識的新疆界，這方面又完全與應用脫節，跟數學(xué)有很大的關(guān)系。真正的新的物理現象既沒(méi)有名字，也沒(méi)有數學(xué)來(lái)描寫(xiě)它，需要引入新的數學(xué)和新的符號，來(lái)描寫(xiě)這個(gè)新的現象，把這個(gè)知識體系構建起來(lái)。物理強調現象，數學(xué)是描寫(xiě)這些現象的語(yǔ)言，所以物理和數學(xué)有非常大的交集。物理的跨度非常寬，對于物理學(xué)中不同的方面，不同的研究風(fēng)格，對人的個(gè)性要求也不一樣。像我個(gè)人的研究是比較傾向于理論方面，所以這方面有點(diǎn)像對藝術(shù)家的要求，對美要有感覺(jué)和直覺(jué)，從這個(gè)方向來(lái)發(fā)現未知的東西，把未知變?yōu)橐阎?，?lái)擴張知識的疆界。
文小剛：我們的未來(lái)科學(xué)大獎是要獎勵杰出的科研成就，這個(gè)目的已經(jīng)達到了，兩位獲獎?wù)叨际窍喈斚喈敳诲e的，而且也有原創(chuàng )性的創(chuàng )新工作。盧煜明對于孕婦外周血中存在胎兒DNA的發(fā)現在當時(shí)是很具有創(chuàng )新性的，薛其坤研究的量子反?；魻栃呀?jīng)有很多理論在前，但是他利用分子束外延技術(shù)，發(fā)現單層高溫超導體是一個(gè)突破性的發(fā)現，這絕對是個(gè)新發(fā)現。
我特別希望未來(lái)科學(xué)大獎能夠鼓勵創(chuàng )新型的研究?，F在中國的科研政策讓人壓力挺大的，正面的效果就是可以把科研的“量”提上去，但是也會(huì )阻礙一些科學(xué)家以自己的興趣和好奇心為導向來(lái)做一些高風(fēng)險的、創(chuàng )新型的研究。這種研究被壓制住了。所以現在中國的科研人員要跟著(zhù)政策跑，跟著(zhù)別人的標準跑。我希望科學(xué)大獎能夠鼓勵創(chuàng )新型的工作，讓一些科學(xué)家覺(jué)得即使我的工作不受政策的支持或者支持得比較弱，只要真正能做出東西來(lái)，至少還有未來(lái)科學(xué)大獎在。早于社會(huì )發(fā)現新的人才，這是我最最希望未來(lái)科學(xué)大獎能夠實(shí)現的。
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