这是《赛先生》对物理学家文小刚访谈时他说的话。
文小刚首先总结了历史上的几次物理学革命。
第1次物理学革命是牛顿力学。在那里,人类第1个完整的物理学理论诞生了,这个物理学理论需要新的数学,文小刚说:“牛顿既做数学家,又做物理学家,非常不容易。”
第2次物理革命是麦克斯韦提出的麦克斯韦方程式,对电、磁、光进行了大的统一,在这个统一里面,麦克斯韦当时是利用了微积分的数学,后来人们发现那本质上是纤维从理论。
第3次物理革命是爱因斯坦的相对论。爱因斯坦在这里有了现成的黎曼几何可用,它相当于给黎曼几何以物理的解释,得到了广义相对论。
第4次物理革命是量子力学。而量子力学的数学是线性代数,文小刚说,“我们的世界不是由分析来描写的,而是由代数来描写的,这一世界观的变化非常重要。”
接着文小刚把现在凝聚态物理里面对多体系统的量子纠缠的研究,就是拓扑物态的研究,说成是第2次量子革命。他说:“这一研究将要解决很多基本问题,首先要统一所有基本粒子,如光子、电子、夸克等等,也要把引力和空间统一进来,就是想统一这些根本相同的现象。”
其实在此之前,量子革命带来的统一已经成为人们的共识,就是量子场论模式的基本粒子标准模型;而把场论推广为超弦得到弦理论模型。但是标准模型无疑只是一个低能有效理论,它本身不会是一个完全统一的完善的理论。而超弦理论目前遇到了瓶颈,发展停滞不前。换句话说,相当于第4次物理革命的量子力学在发展到极致以后,在统一的道路上似乎再难进一步。那么出路在哪里呢?
文小刚认为,现在发展的长程量子纠缠与高维范畴论的结合,引起了量子革命的第2次革命。他说:“由于这些原因,我认为我们现在遇到了物理学新的大发展的机遇,这就是量子纠缠。”他写道:“但是长程量子纠缠能不能统一粒子物理学中的4种相互作用?能不能更进一步统一光和电子?能不能统一所有基本粒子?不同的人会有不同的看法。我个人认为是可能的,我这么认为是因为我很熟悉量子纠缠,我明确地感觉到,也深深地相信长程量子纠缠能统一所有基本粒子。但量子纠缠太新了,一般只有学量子信息和凝聚态物理的人比较熟悉,一般人都不熟悉量子纠缠,所以他们自然而然也不会从这个角度想问题,不见得认同这种观点,看不出来量子纠缠和基本粒子的统一有什么联系。这里我们需要做大量的解释工作,看看这种观念能不能传播到高能物理的基本粒子理论里头去,我觉得可能需要一些时间。”
在这里,文小刚梳理了物理学历史上的几次革命,以及这些革命的特点:就是新的物理与新的数学的结合。牛顿力学是力学与微积分的结合。麦克斯韦电磁学是纤维丛理论与电磁理论相结合,相对论是广义相对论的物理与黎曼几何的结合,量子力学的革命是量子物理与线性代数或者是希尔伯特空间的结合。而长程量子纠缠作为第2次量子革命,它是量子物理的长程量子纠缠与新的数学的结合,这种新的数学目前看来是高维范畴学。而长程量子纠缠的物理与它所需要的这种数学都还在发展之中,但是它们将引起一次物理学的革命的特征跟历史上是一致的,而且文小刚从自己的专业特长来分析,觉得是第2次量子革命是非常有可能的。
因此文小刚分析:“现在的情况跟前4次物理学革命挺像的,需要新数学和新的物理革命的征兆。我觉得我们处在一个很幸运的时期。据说苏联的著名物理学家朗道当年总说自己不幸运,因为朗道开展主要工作的时期是上世纪40 、50年代,那时候量子力学框架已经基本奠定了,等他进入科学研究高峰期的时候,量子力学革命的高潮已经渐渐平息了。如果朗道赶上了量子力学的爆发期,他肯定会是一个能做出更大贡献的人,相比之下,现在的人应该觉得很幸运。”
文小刚的所谓第2次量子革命统一物理的基本观点,是物质和信息是统一的。因此这个世界是信息,而信息的基本单元是比特,它有0和1两种状态。这里的比特是指量子比特,需要用量子纠缠来描写。由信息的比特的这两种状态产生的长程量子纠缠就可以演生出空间、时间和所有的物质和力。这是他的基本观点,这个观点应该还是比较小众的,但是因为它是在凝聚态物理领域里面产生的,文小刚长期在这个领域中工作,他是深有体会的。他也分析了他之所以对此有信心的理由,这种理由除了他自己的研究经验和理念,还有从历史上历次物理学革命的特点将印证它是有理有据的,尽管还不是大众的,广为人知的。
我们还可以提到超弦理论的“教主”威腾,他是文小刚的导师,在经过超弦理论轰轰烈烈的发展之后,今天逐渐趋于平静。当有人问威腾现在物理发展的新的方向在哪里时,威腾说:应该在量子信息方面。