文小剛談物理新革命：萬物起源於量子信息（附講座錄像） | 眾妙之門_風聞

撰文 | 韓揚眉、烏鴉少年

物理學中的每一次大統一都可以被認為是物理學的新革命。文小剛教授表示，我們經歷了牛頓時代的力學革命、麥克斯韋理論導致的電磁學革命、愛因斯坦引發的相對論革命，以及第一次量子力學革命。如今，我們正處在第二次量子革命當中。這次革命是物質和信息的統一，從量子比特海中產生各種各樣的物質、相互作用，甚至時間和空間。萬物皆起源於量子信息。

人類生活在一個怎樣的世界裏？凝聚態理論物理學家文小剛的答案是，我們生活在量子計算機裏面。量子信息是真實的，而我們所看到的各種物質、人，都是量子信息的虛擬反映。

7月23日，由《返樸》與中國科學院物理研究所聯合主辦，美國麻省理工學院終身教授、美國科學院院士、本刊總編輯文小剛教授以《物理的新革命——量子信息：物質和相互作用的起源》為題，做了一場人氣爆棚的科普講座。當天到場聽眾接近500人，以物理相關專業的研究生和專家為主，講座結束後的若干提問也頗見水平。（欲看講座錄像，請在文末掃“科界會議小程序碼”觀看。除本文介紹的該場講座外，當天下午文小剛教授還主講了一場名為《拓撲序材料——有量子記憶的材料：理論和實驗》的學術報告，同樣值得推薦，觀看辦法同前。）

文小剛教授（左）和場下觀眾（右）

世界絢麗多彩，充滿多種多樣的材料，而材料的性質各有不同，這些性質從何而來？我們如何認識它們？

在文小剛看來，我們對世界的認識是通過從發現到統一，再到更多發現、更多統一的循環，一步步的深化。“每一次的大統一，都可認為是物理學的新革命。而每一次新革命都為我們打開了新世界，許多基本概念和看問題的方式會發生變化，描寫世界的語言、數學工具也會隨之發生改變。”

文小剛梳理了歷史上的四次物理學革命，以充分説明這一觀點。第一次是力學革命，英國物理學家牛頓通過萬有引力定律統一了天體和地面物體的運動規律，與此同時，他發展了微積分，以此作為數學工具描述牛頓運動方程。

第二次是電磁學革命，英國物理學家麥克斯韋統一了電、磁、光這三種貌似不相關的自然現象，還發現了新的物質形態——波形態，這與牛頓認為物質由粒子組成的理念具有本質區別。麥克斯韋使用的數學工具是微分方程，這可以歸結到後來發展的纖維叢理論。

第三次是相對論革命，在廣義相對論中，愛因斯坦將彎曲時空這一幾何概念和引力作用統一，並預言了第二種波形態物質引力波的存在，與此對應的數學理論基礎是黎曼幾何。

相對論革命將引力質量與慣性質量等效起來。

通常而言，一個物理理論需要數學語言來描寫。文小剛表示，牛頓非常了不起，不僅發現了物理定律，還發展了新的數學語言，使得物理理論能夠被描寫出來。而後兩次物理革命，則是數學家走在了物理學家前面，新數學工具先被髮明，物理學家直接拿來借用。

第四次物理革命是量子力學革命。文小剛認為，波形態和粒子形態物質的統一可以被稱為第一次量子革命。過去，牛頓認為物質是粒子形態的，後來麥克斯韋和愛因斯坦發現了波形態物質。而量子革命則把物質的波形態和粒子形態統一起來了。這種認識顛覆了傳統的世界觀，即在量子世界，物質的存在既不是粒子也不是波，既是粒子又是波，被稱為波粒二象性。（參看《第一次量子革命：波和粒子的統一 | 眾妙之門》）

文小剛表示，量子革命之所以意義重大，還在於數學工具也發生了革命性改變，即從前三次物理革命中運用的分析幾何語言發展為線性代數語言。“量子和代數的眼光，這是非常獨特的看世界的眼光。”

文小剛認為，量子革命是最神秘、最不可思議的物理革命。他笑稱，這次革命的發生，是物理學家們“非常不情願的”，是由於發現了很多奇特的自然現象而發展起來的。他認為，量子革命最本質的特徵是對“存在”的認識發生了根本性的改變。這一“存在”的方式比我們想象的要多，就像“薛定諤的貓”，“活”是存在，“死”是存在，“既死又活”也是真實的存在。“這種認識是被逼出來的，沒有一個理論物理學家喜歡。”（參看《量子比特：一隻又死又活、不死不活的薛定諤貓丨眾妙之門》）

現場觀眾：於淥院士（左）、哈佛大學教授Arthur Jaffe（右）

文小剛認為，我們正在經歷第二次量子革命，第二次量子革命是信息和物質的統一。過去我們認為，物質攜帶的性質提供給我們信息。而量子力學告訴我們，信息和物質是不可區分的，信息就是物質，物質就是信息。

他進一步解釋説，“一般我們認為，能量是物質的性質，頻率是信息的性質。而量子物理認為，頻率就是能量，能量就是頻率，它們之間只不過存在一個轉換系數，即普朗克常數。普朗克常數不是自然常數，而是由於歷史上的認知偏差引入的常數。也就是説，信息與物質是刻畫同一對象的不同表述，而能量和頻率是刻畫同一物理量的不同表述。”

文小剛以電影《黑客帝國》描述的兩個世界作類比：一個是物質世界，所有東西由粒子構成；另一個是計算機中虛擬的世界，也就是信息世界，所有東西由比特形成。在這裏，信息世界可以與物質世界同樣真實。事實上，我們所在的真實世界比這更為不可思議，它是一個量子信息的世界，信息是一切的基礎，物質是由信息構成的虛擬的東西。“我們生活的真實世界是一個量子計算機，存在於其中的各種物質、人，都是量子信息的虛擬反映。”

文小剛笑稱，這個想法雖然看似天馬行空，實則是有理論依據的。他回溯了我們對世界的兩種看法。傳統還原論的觀點是，空間是空的，空間中的物質可以細分成基本粒子。而信息是物質起源的理論源自演生論。演生論認為，空間本身並不是空的，而是由量子比特組成的“量子比特海”，基本粒子是量子比特海中的氣泡、渦旋。

不過簡單的量子比特海真的能夠產生各種各樣的物質和我們這個豐富多彩的世界嗎？比如，它能產生麥克斯韋理論中的電磁波嗎？文小剛解釋説，如果量子比特海是規則排列的晶格點陣形式，那麼點陣的壓縮形變會產生一個縱波模式，剪切形變會產生兩個橫波模式，但電磁波只包含兩個橫向偏振，所以這種解釋是不對的。

規則排列的晶格點陣形式：（上）固體晶格點陣壓縮產生縱波；（下）剪切形變產生兩個橫波。

如果空間是量子比特的所有隨機分佈的線性疊加，例如凝聚態物理中的超流體，那麼密度漲落會壓縮形成一個縱波，沒有橫波，也無法產生電磁波。嘗試過各種各樣的量子比特模式後，始終無法產生滿足麥克斯韋方程的電磁波。人們不禁要問，量子信息真的能夠產生物質嗎？

超流體：（上）液體壓縮產生縱波；（下）液體剪切形變無法產生橫波。

文小剛認為，我們之所以失敗，是因為我們對於物質形態的認識還太過侷限，沒有嘗試到正確的物質形態。最近十幾年，物理學家發現了一種新的物質形態——“量子弦液體（quantum string liquid）”。對於弦液體，量子比特0構成空間的背景，量子比特1形成閉弦，量子弦液體是各種各樣的弦構型的線性疊加。如果允許弦分叉，我們會得到更復雜的弦網液體。（參看《光的奧秘和空間的本源｜眾妙之門》）

量子弦液體和絃網液體（string-net liquid）是拓撲物態，是一種全新的自然現象。正如歷史上的物理革命一樣，描述新的自然現象需要新的數學，刻畫弦網液體的數學工具是融合範疇學（fusion category）。（參看《文小剛：物理學的新革命——凝聚態物理中的近代數學 | 眾妙之門》）

弦液體中的波是弦密度波，其由矢量場描寫的。對於閉合的弦，沿着弦的方向，弦密度不能變，只有垂直於弦方向，才會有弦密度變化，這在數學上對應於散度為0的矢量場。因此，弦液體沒有縱波，只有兩個橫波，滿足麥克斯韋方程。

弦網液體（上）及其形成的弦密度波（下）

另外，更復雜的弦網液體中的波，可以滿足描述電弱相互作用的楊-米爾斯方程，強相互作用也可以用不同的弦網波動來描述。因此，不同的弦網波動會產生不同的規範羣，也就是相互作用，這樣，弦網液體就統一了光子、膠子等玻色子。

光子和電子的弦網液體。

另一方面，開弦的端點滿足費米統計，對應於費米子，也就是構成物質的基本粒子。到此為止，弦網液體理論就統一了所有的物質和相互作用，包括麥克斯韋電磁學方程、楊-米爾斯方程、費米統計等多種自然現象。目前，只有愛因斯坦方程中自旋為2的玻色子，也就是引力子尚未統一進來。

開弦的端點滿足費米統計。

文小剛總結道，空間、物質、相互作用起源於量子信息。世界上所存在的各種各樣的物質、它們所具備的奇妙性質是由量子比特和量子糾纏產生的，而量子信息和量子糾纏處在第二次量子革命的中心地位。描繪量子糾纏需要新數學，未來，除了融合範疇學，還需要張量範疇學、代數拓撲等各種現代數學，它們將在第二次量子革命中發揮重要作用。

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