跨界科研的優勢_風聞

****撰文 |****文小剛（麻省理工學院終身教授、格林講席教授）

中國的教育比較強調培養標準人才，可很多創新成果和研究領域的成長點都發生在領域的邊緣，或幾個不同領域的交界處。這時，有多個領域背景的，或掌握各種各樣奇奇怪怪知識的研究人員會有很大的優勢。我本人就是多領域背景的受益者。

我在中國科技大學讀本科的時候，學的是凝聚態物理（低温物理），這也正是我自己非常着迷的一個方向。可是，1982年我到普林斯頓讀研究生時，那裏只有一個安德森教授（P. W.  Anderson）是做凝聚態理論的。當時他已經有很多研究生，根本忙不過來。而我發現系裏有很多中青年教授在做高能物理理論。

他們風華正茂、如日中天，引導着高能物理研究的潮流。猶豫再三之後，我決定好好利用普林斯頓的優勢，轉向高能物理超弦理論。在那段時間裏，我學習了很多比較深奧的物理和數學知識，如量子場論、規範場論、共形場論、微分形式、纖維叢、代數拓撲等等。就在我博士快畢業的時候，高温超導體被發現了，這吸引我回到我的初衷，凝聚態物理，做研究。還有一個原因是因為當時超弦理論的工作重心是發展數學理論，不是我的興趣所在。

於是，博士畢業後，我從高能物理超弦理論又轉回凝聚態物理。這次轉換研究方向對我大有裨益：我的背景知識，看問題的角度和純凝聚態背景的研究人員都不太一樣，這使我能夠做出一些新東西。幾乎我所有的重要工作都是這麼來的。

 

加州大學Santa Barbara分校。1987我到Santa Barbara理論物理研究所做博士後，沒有指定的老闆。從超弦轉到凝聚態領域，沒人管，非常方便。

和別人一樣不是優勢，和別人不一樣才是優勢，這和中國的教育理念不太相同，很多學校甚至還要求學生作出標準答案。我個人的經驗説明，培養標準型人才可能並不利於創新研究。允許學生自由發揮選課，把自己培養成非標準型人才，也許更利於將來的創新研究。所以對作出非標準答案的學生，應該鼓勵，應該有額外的加分。

不過很多人會擔心，在領域的邊緣或幾個領域的交界處做研究會脱離主流，使自己變成小眾，做的東西沒人理會，所以做創新研究要有足夠的自信。有時自己的理論要花八年十年才被接受，沒有足夠的自信，研究就無法做下去。自信從哪來？

自信來源於自己的價值觀、自己的審美觀和自己的好奇心。做自己認為有價值的東西、自己認為美的東西，不管別人怎麼看，也能繼續做下去。如果自己很好奇，所研究的東西有意思到放不下，那就做下去，沒有必要關心自己的理論被不被接受，只要自己欣賞就行了。當然自己做的工作，也會熱心地向別人推薦，希望別人能和自己一起欣賞這裏的美。這大概是做創新工作的一種心態。

如果沒有這樣的自信，只去做別人認為好的東西，就不太容易有原創性的發現。對一個自信的人來説，自己認為的好東西，就是好東西，就值得自己去堅持。有一些人不自信，不重視自己的想法，也不去想自己認為什麼東西好，總是打聽別人認為什麼東西好，追求別人認可的東西。當然這樣做會很高效，能在主流雜誌發表很多論文，但這種心態不利於出創新結果。

我目前研究凝聚態物理，是研究各種材料（也稱之為多體系統）的物理特性。材料會有各種各樣不同的相，如各種各樣的晶體相、超流相、超導相、磁體相等等。這些不同的相導致材料有各種各樣不同的性質。我的一個主要研究方向就是研究材料這些不同的相。過去很長一段時間裏，大家覺得材料所有不同的相都是由朗道的對稱性破缺理論來描寫的（見《物理理論對稱之美，物態對稱破缺之美》），覺得材料科學的理論已經做到盡頭了。

我從超弦理論轉回到凝聚態理論的時候，有人對我很憐憫，告訴我凝聚態理論基本都做完了，轉過來沒什麼前途。可當時我就沒想到需要計劃自己的事業軌跡，把這種忠告當耳旁風了。

朗道

我在1989年研究高温超導過程中，發現一些不同的手徵自旋液體卻有完全相同的對稱性。根據朗道的對稱性破缺理論，這些自旋液體應該屬於同一相。

可如何在物理上探測出它們的不同呢？由於我在超弦中學到過共形場論和代數拓撲，我把手徵自旋液體放到球面和環面等等不同拓撲空間中，這時我發現不同的自旋液體會有不同數目的能量相同的基態，這意味着自旋液體有一個全新的內部結構，其不能被朗道的對稱性破缺理論所描寫。這相當於在理論上發現了新的量子物態，相當於發現了量子物態的一個新大陸。我把這一類新的量子物態中的結構稱之為“拓撲序”。

帶有拓撲序的物質態會有各種各樣非常新奇的性質，比如理想的沒有電阻的導電錶面。但拓撲序提出的頭十年，在凝聚態物理中並沒引起大家的注意，基本上只有我自已這個組在做這方面的工作。

朗道對稱破缺態的內部結構，可以形象地用不動的圖案來表示：(a)鐵磁態，(b)條狀反鐵磁態。拓撲序的內部結構，可以形象地用不同的舞蹈方式來表示：(c)量子霍爾態中的電子像在跳旋轉的芭蕾舞，(d)自旋液體中的自旋，手拉手，像在跳長龍舞。

早期對拓撲序的研究主要集中於量子霍爾系統。這一系統可以實現各種各樣的拓撲序。所以對量子霍爾系統的全面理解，需要通過拓撲序理論來實現。但建立量子霍爾系統需要極低温和強磁場，條件非常苛刻。最近一些年，實驗物理學家都在非常積極地尋找帶有拓撲序的新的物理系統，不需要那麼苛刻的條件也能實現。比如大家找到一些量子磁性系統，它們很可能帶有嶄新的拓撲序。發現全新的帶有拓撲序的物質態是目前凝聚態物理研究的一個主流。

1989年，我提出拓撲序這一概念的時候，量子計算這一領域還沒怎麼形成。當時只知道拓撲序在宏觀上描寫了一種新的量子物態，但拓撲序的微觀起源並不是很清楚。直到2002年，我係統地研究量子自旋液體的時候，突然意識到拓撲序的起源應該是量子糾纏。這一發現使我有了一種昇華（enlightened）的感覺。可當時我對量子糾纏只是一知半解。於是此後我就跨界進入量子信息領域，努力學習量子糾纏。

陳諧（左）、顧正澄（右）

直到2010年我才和陳諧、顧正澄合作提出了長程量子糾纏的概念，搞清楚長程量子糾纏是拓撲序的微觀起源。也就是説拓撲序不是別的，正是多體系統中量子糾纏的不同長程構型。研究拓撲序，就是研究多體系統中的長程量子糾纏。從宏觀上提出拓撲序這一概念，到對其微觀起源的發現花了20多年。其實花20多年還算是快的。

從1911年實驗發現宏觀零電阻超導現象，到1957年巴丁、庫珀、 施裏弗發現超導的微觀電子對機制花了46年。

巴丁（左），庫珀（中）， 施裏弗（右）

我們知道朗道對稱破缺理論的數學基礎是羣論。那拓撲序理論的數學基礎是什麼？最近我又在努力跨界學習很多新的抽象數學，如張量範疇學、高階代數、高階羣等等。我們發現拓撲序和多體量子糾纏是一個全新的物理現象，需要用一套全新的數學語言來描寫。而這一套新的數學語言正是抽象數學近二三十年的一個發展方向。這又是一個驚豔的跨界聯繫。

 拓撲序的內部量子糾纏結構很難描述，也許可以通過中國結或凱爾特結來想象一下。

由於拓撲序的起源是量子糾纏，它在量子計算中自然而然有重要的應用。量子拓撲態中的粒子，會有各種各樣的集體糾纏運動模式，我們可以用其編碼不同的量子信息。而且，拓撲序中這些不同的集體運動模式，有一個非常特殊的性質：它們完全不被環境中的隨機擾動所影響。

因此，用拓撲序中的集體運動模式來編碼量子信息有巨大的優越性，比起用一般的量子比特（如量子自旋，超導結）來編碼量子信息穩定得多。後者做量子計算，其最大的困難就是環境的干擾。目前用多個超導結做的量子計算機，只能做幾十步計算，之後環境的干擾就把量子信息完全破壞掉了。如果我們能夠發現合適的拓撲序材料，用它來做量子計算機，就能解決這一大問題。

拓撲序理論目前能成為凝聚態物理的一個主流，也許有兩個原因。除了上面講的量子計算應用，另一個原因是，在對強關聯體系的深入研究中，我們發現拓撲序這一觀點的確有用。做一個類比，朗道的對稱性破缺理論賦予我們聽覺，讓我們能欣賞大自然各種美妙的旋律；而拓撲序理論賦予我們視覺，讓我們能欣賞大自然各種絢麗的景象。

如果只有聽覺，雖然我們會有豐富的音樂世界，但也會無知於一個更加精彩的視覺世界，更糟的是，我們甚至不知道自己失去了那麼多。類似地，拓撲序讓我們看到了一個更加精彩的物理世界。而以前我們甚至沒有意識到這一精彩的存在。一旦眼界打開了，那可能性將是無窮的。

拓撲物態的研究處於凝聚態、量子計算、近代抽象數學甚至高能物理等多個領域的交叉處。跨界的知識會給這個方向的研究人員帶來很大的優勢，甚至成為研究這個方向的必要條件。多個領域在如此深層次的交匯，也使拓撲態的研究成為一個非常有活力，並且新觀念層出不窮的研究領域。