张朝阳对话物理学家文小刚 谈拓扑序、长程量子纠缠与物理学新世界观

来源：市场资讯

　　8月25日，搜狐视频关注流《张朝阳的物理课》“基础科学大会系列对谈”迎来收官。搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官、物理学博士张朝阳，与麻省理工学院塞西尔与艾达·格林物理学讲席教授文小刚展开三小时深度交流，围绕“物理学的下一次革命：极小、极大，还是极复杂？”主题，探讨从量子纠缠到宏观世界涌现背后的物理图景。

　　两人从各自的跨界经历谈起，循着拓扑物态理论的发展脉络，一步步揭开分数量子霍尔效应、量子比特海洋背后全新的演生世界观，也对科研方法论、AI的能力边界与基础科普的价值展开思辨，为这场贯穿微观、介观与宇观尺度的系列科学对话落下收官之笔。

　　本场对话是今年《张朝阳的物理课》“基础科学大会系列对谈”的收官之作。8月12日，张朝阳已与宾夕法尼亚大学软物质与生命物质研究中心主任刘若微教授拆解沙堆、泡沫等经典无序系统的涌现规律，8月18日则与牛津大学荣休教授苏比尔·萨卡尔教授探讨宇宙学标准模型的争议与边界。

　　从高能到凝聚态：科学新发现通常出现在领域交界处

　　文小刚早年师从弦理论大师威腾接受高能物理训练，后来转入凝聚态物理研究。他回忆，这两个领域虽然都研究物理，却像在使用两套不同的语言：高能物理受相对论影响，往往把时间和空间放在一起讨论；凝聚态物理则通常把时间单独处理，更关注物质在空间中的组织方式。

　　张朝阳形容，这很像一个原本“舞大刀”的人，转到另一个领域却要改用“长矛”。如果学不会新领域的语言，很容易在两边都不被认可。

　　尽管两种物理语言不能混用，但正是这种双重视角，让文小刚看凝聚态的问题时总能找到与众不同的切入点。他早期许多重要工作正得益于这种差异。“科学的新增长点往往不在一个领域的中心，而在不同领域的交界处，那里最容易产生新东西。”

　　张朝阳则把这比作生物学中的“杂交优势”，多种基因叠加反而产生更强的生命力，很多时候学科交叉恰恰是创新的重要来源。

　　拓扑序与范畴学：凝聚态物理的新基石

　　物质为何拥有不同形态？张朝阳以生活中常见的水结冰为例展开提问。文小刚解释，液态水在连续的平移下保持不变，而结冰后水分子形成晶格，仅在特定平移距离下才保持不变，因此水和冰的对称性不同。这种基于对称性的分析，正是描述不同物质状态的传统范式。

　　就在传统理论盛行之时，文小刚于1989年提出了“拓扑序”概念。这是一种无法用对称性来刻画的全新物态，它们的对称性相同，但是最低能量状态却不一样，而且不易被局部杂质破坏。如果将局部杂质看成一种形变，那么这种物态的形变不敏感特性正是数学上“拓扑”的本义。相关研究为理解凝聚态系统中的新奇现象提供了新框架，也为文小刚赢得了理论物理学界最高荣誉——狄拉克奖章。

　　正因为拓扑序的新特性，描述物质对称性的数学工具已经不够用，而范畴学作为一门更看重事物之间的关联、组织结构的数学理论，恰好可以用于对拓扑序进行分类。文小刚坦言，范畴学确实令人“犯愁”，连数学家都很少钻研，但他仍从这门学科中获益良多，并懊恼自己常常被旧思路拖累。他鼓励年轻学生直接从范畴学入手，从最前沿的“关系”的视角理解世界。

　　张朝阳补充，范畴学应当获得更多普及。他认为，新的物理革命往往伴随新数学工具登场，范畴学作为描述多体纠缠的重要新数学框架，值得被更多物理研究者重视与了解。

　　光从哪里来：答案或藏在“量子比特的海洋”

　　在拓扑序与长程纠缠领域深耕多年后，文小刚提出了一个颇具颠覆性的猜想：我们日常接触的光，本质上或许也是量子纠缠的一种宏观表现。

　　这一猜想并非凭空而来。他在研究一类名为自旋液体的新型量子物质时发现，其中自旋波的传播规律，恰好与描述电磁波的麦克斯韦方程完全吻合。后续他与合作者进一步证实，这种奇特现象源自一种特殊的量子纠缠结构，并将其命名为弦网凝聚。

　　弦网凝聚可以用一幅直观的画面来理解：把真空想象成一片由量子比特构成的 “海洋”，其中的量子比特可以连接成一条条闭合的弦；这些弦不断运动、涨落，就形成了动态的 “弦液体”。弦的密度分布对应着我们熟悉的电场：沿着弦的方向，弦的密度保持恒定，只有垂直于弦的方向才会出现密度起伏，这恰好与电场的特性相契合。而弦的端点，就对应着电荷——弦一旦断开，断点处就会出现电荷。这样一来，传递相互作用的电磁场和构成物质的电荷，就从同一种量子纠缠结构中自然衍生了出来。

　　“传统的大统一理论，只能把三种基本作用力纳入同一框架，却无法包含构成物质的费米子。而弦网凝聚与量子比特海洋的图景，把力和物质都统一了起来。” 文小刚说。不过这套理论目前还无法解释引力。文小刚曾尝试将 “弦” 拓展为 “膜”，用 “膜液体” 的模型推导爱因斯坦的引力方程，但两者的数学结构并不匹配，这一方向暂时没有取得突破。

　　如何揭开世界的奥秘：在量子纠缠中寻找本质

　　从弦网凝聚出发，文小刚提出了一种全新的世界观。他把它概括为三个关键词：极小、极大、极复杂。

　　极小的构建非常简单，就是量子比特，只有0和1，没有其他内部结构。极大的世界却极其复杂，有麦克斯韦方程、狄拉克方程、各种各样的物质态。连接两者的中间环节就是“极复杂”，在物理上叫作量子纠缠。纠缠是一种组织结构，它把最简单的量子比特和我们看到的丰富世界连接起来。

　　“更重要的不是世界的基本构建是什么，而是它的组织结构。”文小刚说，这是一种“演生世界观”。知道基本构建是量子比特还不够，真正决定世界面貌的是量子比特之间的纠缠结构。

　　在这套全新的宇宙观里，世界的基本单元是什么并没有那么重要，真正决定万物面貌的，是量子比特之间的纠缠结构。张朝阳认为，从亚里士多德到苏格拉底，人类总以为找到最小的组成单元就能解开世界的奥秘，但实际上，单元之间的关联与组织结构，才是更本质的东西。这也是凝聚态物理的研究思路，与传统还原论最大的不同。

　　“猜想”“闲逛”与AI：理论物理的方法论之辩

　　整场对话中，文小刚反复强调一种独特的物理研究方法：大胆猜想。

　　“我经常有很多猜想，猜这个猜那个，但是我要有判断，哪个猜是对的，哪个猜是不对的。一旦觉得这个猜想是对的话，我马上接受它。”文小刚表示，数学家追求严格性，但物理学家只要相信一个猜想是对的，就以它为基础继续往前走。

　　文小刚把这种方法比作“构建大厦”：先把整个大厦的结构猜出来，那些螺丝钉、螺帽的严格细节留给后人慢慢做，这种方式与数学家一步步严格证明的路径形成了有趣的对照。

　　张朝阳也推崇这种“信马由缰”的学习方式，“我就了解一些基本的道理就开始自己推导”。他认为这是最好的学习方式，也是效率最高的方式。

　　关于AI在理论物理研究中的作用，文小刚认为AI的帮助主要体现在计算和验证方面。以前很多做不了的积分计算现在可以交给AI，大大加快了验证猜想的速度，猜得也更快了。但产生新的定义、新的概念，AI目前还做不到。他表示，一旦结构和定义都清楚了，剩下的逻辑推理部分也许可以交给AI。但在定义产生之前，那个模糊的、不确定的创造阶段，仍然只能靠人脑。

　　张朝阳用一个比喻总结：AI像一匹马，人是骑手，指出方向后马可以跑得很快。这个判断与他此前和萨卡尔对话时的观点一脉相承，AI 可以成为强大的工具，但真正的概念突破仍然要靠人。

　　懂科学才能做好科普：一线科研人员应承担科普义务

　　互动环节中，来自清华大学、南京大学、中国科学院等高校的青年学者和学生踊跃提问，涉及拓扑量子计算前景、高能物理与凝聚态物理的场论对应、新物质态的实验寻找、量子引力的路径等多个话题。现场还有搜狐视频播主@余颖-凝聚态物理教授、@张春峰物理教授、@phyzc（中国石油大学教授）、@高庆一（人工智能学者）一起探讨科研与科普的意义。在他们看来，搜狐视频关注流恰如“微光汇聚”，这里聚集了物理、数学、AI等多领域专家学者，积淀形成“科普燎原”之势，让不同学科在此跨界碰撞。

　　从个人科研教学到公众科普，文小刚与张朝阳也分享了自己的看法。文小刚坦言，科普比做研究还难，科普必须牺牲严格性，但牺牲严格性之后很容易变成胡诌，只有一线科研人员才能把握那个度，在不讲数学细节的情况下把精神和方向讲对。他呼吁一线科学家承担起科普的义务，因为把自己的研究精炼、抽象、简练地讲出来，对研究者本身也是一种锻炼，甚至可能在重新梳理的过程中产生新的想法。

　　此外，文小刚认为做科普本身对研究者也有反哺，他建议科学家尝试“不用数学公式画一个卡通”来抽象概念，因为画卡通可以逼你抽象，把概念的精髓讲出来。张朝阳补充道，让懂的一线科研人员来做科普。“科普搞各种比喻，就是似是而非了。”

　　这场对话的意义也印证了张朝阳所言，“用大众媒体传播最高深的科学，用科普的方式来传播最严谨的知识。”