跨界科研的优势 | 文小刚

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撰文 | 文小刚（麻省理工学院终身传授、格林讲席传授）

文章起原于《返朴》（微旌旗：fanpu2019）

中国的教育对照强调培育尺度人才，可好多立异功效和研究范畴的成长点都发生在范畴的边缘，或几个分歧范畴的接壤处。这时，有多个范畴配景的，或把握各类各样奇新鲜怪常识的研究人员会有很大的优势。我本人就是多范畴配景的受益者。

我在中国科技大学读本科的时候，学的是凝聚态物理（低温物理），这也恰是我本身非常入神的一个偏向。可是，1982年我到普林斯顿读研究生时，那边只有一个安德森传授（P. W.  Anderson）是做凝聚态理论的。其时他已经有好多研究生，基本忙不外来。而我发现系里有好多中青年传授在做高能物理理论。他们风华正茂、方兴日盛，指导着高能物理研究的潮水。犹疑再三之后，我决意好好行使普林斯顿的优势，转向高能物理超弦理论。在那段时间里，我进修了好多对照深奥的物理和数学常识，如量子场论、规范场论、共形场论、微分形式、纤维丛、代数拓扑等等。就在我博士快卒业的时候，高温超导体被发现了，这吸引我回到我的初志，凝聚态物理，做研究。还有一个原因是因为其时超弦理论的工作重心是成长数学理论，不是我的乐趣地点。于是，博士卒业后，我从高能物理超弦理论又转回凝聚态物理。此次转换研究偏向对我大有裨益：我的配景常识，看问题的角度和纯凝聚态配景的研究人员都不太一般，这使我可以做出一些新器材。几乎我所有的主要工作都是这么来的。

加州大学Santa Barbara分校。1987我到Santa Barbara理论物理研究所做博士后，没有指定的老板。从超弦转到凝聚态范畴，没人管，非常轻易。

和别人一般不是优势，和别人纷歧样才是优势，这和中国的教育理念不太沟通，好多学校甚至还要肄业生作出尺度谜底。我小我的经验解说，培育尺度型人才或者并晦气于立异研究。许可学生自由施展选课，把本身培育成非尺度型人才，或许更利于未来的立异研究。所以对作出非尺度谜底的学生，应该鼓励，应该有额外的加分。

不外好多人会担心，在范畴的边缘或几个范畴的接壤处做研究会离开主流，使本身酿成小众，做的器材没人理会，所以做立异研究要有充沛的自信。有时本身的理论要花八年十年才被接管，没有充沛的自信，研究就无法做下去。自信从哪来？自信起原于本身的价格观、本身的审美观和本身的好奇心。做本身认为有价格的器材、本身认为美的器材，不管别人怎么看，也能持续做下去。若是本身很好奇，所研究的器材有意思到放不下，那就做下去，没有需要关心本身的理论被不被接管，只要本身赏识就行了。当然本身做的工作，也会热心地向别人介绍，进展别人能和本身一路赏识这里的美。这也许是做立异工作的一种心态。

若是没有如许的自信，只去做别人认为好的器材，就不太轻易有原创性的发现。对一个自信的人来说，本身认为的好器材，就是好器材，就值得本身去对峙。有一些人不自信，不正视本身的设法，也不去想本身认为什么器材好，老是探询别人认为什么器材好，追求别人承认的器材。当然如许做会很高效，能在主流杂志揭橥好多论文，但这种心态晦气于出立异究竟。

我今朝研究凝聚态物理，是研究各类材料（也称之为多系统统）的物理特征。材料会有各类各样分歧的相，如各类各样的晶体相、超流相、超导相、磁体相等等。这些分歧的相导致材料有各类各样分歧的性质。我的一个首要研究偏向就是研究材料这些分歧的相。曩昔很长一段时间里，人人感觉材料所有分歧的相都是由朗道的对称性破缺理论来描写的（见《物理理论对称之美，物态对称破缺之美》），感觉材料科学的理论已经做到终点了。我从超弦理论转回到凝聚态理论的时候，有人对我很恻隐，敷陈我凝聚态理论根基都做完了，转过来没什么前途。可其时我就没想到需要规划本身的事业轨迹，把这种忠言当耳旁风了。

朗道

我在1989年研究高温超导过程中，发现一些分歧的手征自旋液体却有完全沟通的对称性。凭据朗道的对称性破缺理论，这些自旋液体应该属于统一相。可若何在物理上探测出它们的分歧呢？因为我在超弦中学到过共形场论和代数拓扑，我把手征自旋液体放到球面和环面等等分歧拓扑空间中，这时我发现分歧的自旋液体味有分歧数目的能量沟通的基态，这意味着自旋液体有一个全新的内部构造，其不克被朗道的对称性破缺理论所描写。这相当于在理论上发现了新的量子物态，相当于发现了量子物态的一个新大陆。我把这一类新的量子物态中的构造称之为“拓扑序”。带有拓扑序的物质态会有各类各样非常别致的性质，好比幻想的没有电阻的导电外观。但拓扑序提出的头十年，在凝聚态物理中并没引起人人的注重，根基上只有我自已这个组在做这方面的工作。

朗道对称破缺态的内部构造，能够形象地用不动的图案来透露：(a)铁磁态，(b)条状反铁磁态。拓扑序的内部构造，能够形象地用分歧的跳舞体式来透露：(c)量子霍尔态中的电子像在跳扭转的芭蕾舞，(d)自旋液体中的自旋，手拉手，像在跳长龙舞。

早期对拓扑序的研究首要集中于量子霍尔系统。这一系统能够实现各类各样的拓扑序。所以对量子霍尔系统的周全懂得，需要经由拓扑序理论来实现。但竖立量子霍尔系统需要极低暖和强磁场，前提非常苛刻。比来一些年，实验物理学家都在非常积极地寻找带有拓扑序的新的物理系统，不需要那么苛刻的前提也能实现。好比人人找到一些量子磁性系统，它们很或者带有极新的拓扑序。发现全新的带有拓扑序的物质态是今朝凝聚态物理研究的一个主流。

1989年，我提出拓扑序这一概念的时候，量子较量这一范畴还没怎么形成。其时只知道拓扑序在宏观上描写了一种新的量子物态，但拓扑序的微观发源并不是很清楚。直到2002年，我系统地研究量子自旋液体的时候，倏忽意识到拓扑序的发源应该是量子纠缠。这一发现使我有了一种升华（enlightened）的感受。可其时我对量子纠缠只是一知半解。于是此后我就跨界进入量子信息范畴，起劲进修量子纠缠。

陈谐（左）、顾正澄（右）

直到2010年我才和陈谐、顾正澄合作提出了长程量子纠缠的概念，搞清楚长程量子纠缠是拓扑序的微观发源。也就是说拓扑序不是其余，恰是多系统统中量子纠缠的分歧长程构型。研究拓扑序，就是研究多系统统中的长程量子纠缠。从宏观上提出拓扑序这一概念，到对其微观发源的发现花了20多年。其实花20多年还算是快的。从1911年实验发现宏观零电阻超导现象，到1957年巴丁、库珀、 施里弗发现超导的微观电子对机制花了46年。

巴丁（左），库珀（中）， 施里弗（右）

我们知道朗道对称破缺理论的数学根蒂是群论。那拓扑序理论的数学根蒂是什么？比来我又在起劲跨界进修好多新的抽象数学，如张量领域学、高阶代数、高阶群等等。我们发现拓扑序和多体量子纠缠是一个全新的物理现象，需要用一套全新的数学说话来描写。而这一套新的数学说话恰是抽象数学近二三十年的一个成长偏向。这又是一个惊艳的跨界关联。

 拓扑序的内部量子纠缠构造很难描述，或许能够经由中国结或凯尔特结来想象一下。

因为拓扑序的发源是量子纠缠，它在量子较量中天然而然有主要的应用。量子拓扑态中的粒子，会有各类各样的集体纠缠活动模式，我们能够用其编码分歧的量子信息。并且，拓扑序中这些分歧的集体活动模式，有一个非常特别的性质：它们完全不被情况中的随机扰动所影响。是以，用拓扑序中的集体活动模式来编码量子信息有伟大的优胜性，比升引一样的量子比特（如量子自旋，超导结）来编码量子信息不乱得多。后者做量子较量，其最大的难题就是情况的干扰。今朝用多个超导结做的量子较量机，只能做几十步较量，之后情况的干扰就把量子信息完全损坏掉了。若是我们可以发现合适的拓扑序材料，用它来做量子较量机，就能解决这一大问题。

拓扑序理论今朝能成为凝聚态物理的一个主流，或许有两个原因。除了上面讲的量子较量应用，另一个原因是，在对强关系系统的深入研究中，我们发现拓扑序这一概念切实有效。做一个类比，朗道的对称性破缺理论付与我们听觉，让我们能赏识大天然各类美妙的旋律；而拓扑序理论付与我们视觉，让我们能赏识大天然各类烂漫的情景。若是只有听觉，固然我们会有雄厚的音乐世界，但也会蒙昧于一个加倍出色的视觉世界，更糟的是，我们甚至不知道本身失去了那么多。雷同地，拓扑序让我们看到了一个加倍出色的物理世界。而以前我们甚至没有意识到这一出色的存在。一旦眼界打开了，那或者性将是无限的。

拓扑物态的研究处于凝聚态、量子较量、近代抽象数学甚至高能物理等多个范畴的交叉处。跨界的常识会给这个偏向的研究人员带来很大的优势，甚至成为研究这个偏向的需要前提。多个范畴在如斯深条理的交汇，也使拓扑态的研究成为一个非常有活力，而且新观点不足为奇的研究范畴。

《返朴》，国际有名物理学家文小刚与生物学家颜宁传授联袂担当总编。存眷《返朴》可介入商议。二次转载或合作请关联fanpu2019@outlook.com。