正文
在读研究生的最后一年,高温超导被发现了。这时我开始经常参加凝聚态的组会,试着做一些高温超导的工作,听安德森讲相互作用电子可以演生出SU(2)规范场,觉得十分震撼。因为我两年里学了两遍量子场论,规范场论也学了很多次,我应该是这方面的内行,但怎么就看不出相互作用电子可以演生出SU(2)规范场呢?而安德森一个“外行”怎么就看出来了?这时,我意识到我所学习的规范场的知识的大方向可能错了,这些知识有时可能会成为我的包袱和绊脚石。要想有安德森那样的深刻洞察力,我需要重新用全新的角度理解规范场。
1987年,我到加州大学圣塔芭芭拉分校理论物理研究所(ITP, UCSB)做博士后,觉得当时的超弦理论花了太多的精力来发展共形场论中的数学,而我自己还是更喜欢应用数学来研究物理,最后终于决定完全转到凝聚态领域,做高温超导方面的研究。
当时的我对物理的行情完全没有感觉,一点也不知道转行有多么危险,不过是跟着兴趣走,转就转了。那时我很幸运地和张首晟一起,跟提出BCS超导理论的Schrieffer做高温超导的自旋口袋机制,补了我凝聚态物理研究生的训练这个缺。后来,我又跟徐一鸿(Anthony Zee)和Wilczek
(编者注:维尔切克,2004年诺贝尔物理学奖得主)
做高温超导的自旋液体机制这一方面的工作。我选择做自旋液体是因为这方向特别新,和标准凝聚态物理很不同,既有演生规范场又有拓扑,可以发挥我在超弦场论方面的优势。而演生规范场就是理解规范场的一个全新的角度。
我当时最好的工作是1989年跟徐一鸿和Wilczek做的手征自旋液体。它由演生的陈-Simons规范场理论来描写。当时我们发现,可以有好几种不同的手征自旋液体由不同的陈-Simons规范理论来描写。Wilczek就问我如何刻画这些自旋液体?这个问题在我脑子里一直挥之不去。当时大家都认为朗道的对称性破缺理论可以描写所有物质态中的序,所以会试图用对称性来刻画这些自旋液体。可后来我意识到,这些不同的手征自旋液体具有完全相同的对称性,完全不能用标准的朗道对称性破缺理论来描写,而必须用全新的思路来刻画这些自旋液体。由于我的超弦背景,自然而然地我就想到利用一些拓扑的办法。我把自旋液体放到有不同拓扑的空间中,计算了它们的基态简并度。我发现基态简并度的确可以用来区分刻画这些不能用对称性破缺来区分刻画的自旋液体。重要的是,我还意识到这一结果意味着发现了一种超出对称性破缺的新的序。我把它叫做“拓扑序”。这是我第一篇关于拓扑序的文章,发表于1989年。紧接着,我和牛谦
(编者注:其导师为今年诺贝尔物理学奖得主
David J. Thouless
)
又写了一篇文章,证明上面讲的基态筒并不能被任何局部微扰所破坏,和对称性毫无关系。基态筒并所代表的只能是一个新的序——拓扑序。
从那时到现在27年了,我一直没有停止过在拓扑序方面的工作。在拓扑序方面,我一共发表了几十篇文章。
赛先生:虽然如今“拓扑序”理论得到了大家的承认,并且您也因此工作而获奖,但好像最初遭遇了一段不算短暂的冷落?实验上的进展对您的理论帮助大吗?
文小刚:
是的,在最开始的十年里,几乎没有人承认拓扑序是一个有用的概念,没有人理会这方面的工作。幸好拓扑序的一个延伸工作——边界态理论——有和实验可以比较的结果,得到了大家的承认,使我在事业上的发展比较顺利。这里值得一提的是,边界态理论用标准凝聚态物理方法做不出来,需要用共形场论才行。这正好又发挥了我超弦背景的优势。我发现我的转行让我占了很多便宜。
1999年以后,开始有别的小组也做拓扑序方面的工作。现在这个领域成了凝聚态物理的一个主流。在arXiv.org上,按文章简介搜索"topological order", 在1994-1999年间发布的论文共有26篇(大部分是其他领域的文章,那些文章里的topological order和我的工作有不同的含义), 2000-2005年发布的有65篇,2005-2010年有162篇,2011-2016年有507篇。由此可以一窥拓扑序这个领域的发展。
实验可以显示出我们理论的重要性,但这也正好是该理论一个暂时的的弱点。拓扑序比较超前,除了量子霍尔体系之外,能和实验比较的东西不是很多。但在量子霍尔体系中,拓扑序的边界态和它的拓扑特征,如分数电荷,都被实验很好地验证了。
赛先生:您开创了拓扑物态的很多概念和方法,有非常深刻的理论深度,并且引领了大量年轻人,您怎么看待这个领域未来的前景?您目前正在做的工作是什么?
文小刚:
在2006到2010年之间,我和Levin、陈谐以及顾正澄的工作揭示了拓扑序的本质就是长程量子纠缠。长程量子纠缠是一个全新的物理现象,它可以导出一大类新的物质态。作为一个全新的物理现象,长程量子纠缠需要新的数学来描写,如张量范畴学、群上同调理论等等。为了描写物理体系中的对称性,我们把群论引入到物理学中。
为了描写量子材料中的量子纠缠,这次我们又把张量范畴学、群上同调论引入到物理学中。
这是数学和物理又一次在深层次上的完美结合。
早期的前人和我们自己的工作揭示了拓扑序(也就是长程量子纠缠)可以演生出规范场和费米子。我和许岑珂最近的工作表明,量子纠缠还可以演生出标准模型中的手征费米子。整个标准模型,所有的基本粒子,都有可能从纠缠的量子信息中演生出来。这代表了一个
统一信息和物质的超大统一理论
。这是我目前工作的一个方向。
最近十几年,超弦方面的工作也揭示了甚至
空间几何都有可能是从量子纠缠中演生出来的
。把这些工作综合起来,好像世间的一切都来自于量子信息的量子纠缠。这就是拓扑序和量子纠缠的重要性。
赛先生:您的工作可以说在理论上非常具有深度,可以谈谈您的研究心得吗?您是如何将自己研究的深度不断拓展下去,并且让凝聚态这个领域成为一个非常基本并具有一定普适意义的领域的?
文小刚:
主要的心得有两个。一是跟着自己的感觉走,让自己的想象和联想,天马行空般地自由奔驰。我觉得做物理最重要的能力就是猜测和想象的能力,就是要敢于“瞎捣鼓”。比如给你一个死机的电脑,你要能捣鼓来捣鼓去,把电脑修好。即使修不好也能学很多新东西。
另一个是要做最小的有意义的题目。当你把一个有意义的小题目深入地做进去以后,常常会发现它其实很大。我个人的经验是,如果一开始就想做大题目的话,可能什么都做不动。总结一下就是:
大方向、小脚步。只要大方向明确,小脚步慢慢走,总能走得很远。
如果没有大方向,就只能像醉汉一样乱走,这时即使走得快也走不远。
赛先生:最后让我们回到过去,您最早是什么时候开始喜欢上物理学的?您的灵感多数来源于独自思考还是与人讨论?