文小刚获凝聚态物理最高奖巴克利奖,独家专访告诉你“拓扑序”的曲折故事

作者: 潘颖

来源: 赛先生

发布日期: 2016-10-12 00:50:12

文小刚教授因其在拓扑序理论及其在物理系统中的应用方面的杰出贡献,荣获2017年Oliver E. Buckley奖。他在1989年首次引入“拓扑序”概念,并在此后数十年中持续发展这一理论。文教授的学术生涯经历了从凝聚态物理到高能物理,最终回归凝聚态物理的转变,这一过程中他不断深化对物理学的理解,并提出了许多创新理论。

美国当地时间10月11日,美国物理学会宣布,将2017年Oliver E. Buckley奖颁发给美国麻省理工学院的文小刚教授和加州理工学院的Alexei Kitaev教授。Buckley奖是凝聚态物理领域的最高奖。根据美国物理学会介绍,这次获奖的工作是“拓扑序理论和它在众多物理系统中的应用”。1989年,文小刚首次引入了“拓扑序”概念,并数十年来一直发展拓扑序理论。

1997年Kitaev把拓扑序应用于量子计算,引入了拓扑量子计算的概念,提出利用物质的二维拓扑态实现可靠的量子存储和信息处理及在适当配置的一维系统中可靠地存储量子信息。

Oliver E. Buckley凝聚态物理奖旨在表彰和鼓励在凝聚态物理领域中在理论或实验上做出杰出贡献的物理学家,奖金为两万美元。

美国贝尔实验室于1952年为纪念该实验室极有影响力的主席Oliver E. Buckley而设立该奖,授予推进和深入理解凝聚态物理知识的最重要贡献。通常该奖授予一人,但也可以因共同成就由若干人分享。我们热烈祝贺本刊主编文小刚教授和Alexei Kitaev教授共获殊荣。在这值得庆贺的时刻,我们在第一时间采访了文教授,请他向读者介绍他的相关工作、学术生涯和研究心得。

赛先生:首先祝贺您获得Buckley奖!很多人都听说过“拓扑绝缘体”,但对“拓扑序”的了解并不多,您能讲讲这二者的区别吗?文小刚:“拓扑序”是我早在1989年研究自旋液体时引入的概念。2006年,Kane和Mele发表了一篇题为“Z2拓扑序和量子自旋霍尔效应”的文章。这是拓扑绝缘体的开始。但这篇文章的题目造成了一些概念上的混乱。

首先,这篇文章不是讲量子自旋霍尔效应有多重要,而是讲量子自旋霍尔效应不重要。文章的结论是,即使没有量子自旋霍尔效应,我们也会有非平凡的绝缘体。这一结果非常让人吃惊。这个绝缘体后来被别人叫做“拓扑绝缘体”。这是一篇很重要的文章,它开启了拓扑绝缘体这一非常活跃的领域。但文章题目里的“拓扑序”则是误导。

赛先生:您的学习和研究生涯是怎么样的,是在什么背景下提出拓扑序理论的?

据说当年考取CUSPEA后,您本来是冲凝聚态领域的“大牛”安德森(Philip W. Anderson)而去的,后来却改拜风格完全不同的威腾(Edward Witten)为导师,进入了高能物理领域,但最终又转回凝聚态,这中间都发生了什么?文小刚:我本科在中国科技大学学习低温凝聚态物理。1982年通过李政道先生主持的CUSPEA考试,获得了到普林斯顿大学读研究生的机会。

本来我想跟安德森教授继续做凝聚态物理,但当时他只有一半时间在普林斯顿,而且手下已经有八个学生,忙不过来。这时我又发现普林斯顿的高能物理实力极强。犹豫了很长时间后,我有幸跟Witten教授作超弦方面的研究。那段时期,我不仅学习了近代高能物理中路径积分、量子场论、规范场论、重整化群等基本知识,又接触了大量的数学,包括微分形式、纤维丛、代数拓扑、同调上同调和共形场论等等。

那期间,发表了超弦中的磁单极和非微扰效应等几篇文章。

赛先生:虽然如今“拓扑序”理论得到了大家的承认,并且您也因此工作而获奖,但好像最初遭遇了一段不算短暂的冷落?实验上的进展对您的理论帮助大吗?文小刚:是的,在最开始的十年里,几乎没有人承认拓扑序是一个有用的概念,没有人理会这方面的工作。幸好拓扑序的一个延伸工作——边界态理论——有和实验可以比较的结果,得到了大家的承认,使我在事业上的发展比较顺利。

这里值得一提的是,边界态理论用标准凝聚态物理方法做不出来,需要用共形场论才行。这正好又发挥了我超弦背景的优势。我发现我的转行让我占了很多便宜。

赛先生:您的工作可以说在理论上非常具有深度,可以谈谈您的研究心得吗?您是如何将自己研究的深度不断拓展下去,并且让凝聚态这个领域成为一个非常基本并具有一定普适意义的领域的?文小刚:主要的心得有两个。

一是跟着自己的感觉走,让自己的想象和联想,天马行空般地自由奔驰。我觉得做物理最重要的能力就是猜测和想象的能力,就是要敢于“瞎捣鼓”。另一个是要做最小的有意义的题目。当你把一个有意义的小题目深入地做进去以后,常常会发现它其实很大。我个人的经验是,如果一开始就想做大题目的话,可能什么都做不动。总结一下就是:大方向、小脚步。只要大方向明确,小脚步慢慢走,总能走得很远。

赛先生:最后让我们回到过去,您最早是什么时候开始喜欢上物理学的?您的灵感多数来源于独自思考还是与人讨论?文小刚:我从小就对物理数学感兴趣。上小学的时候,父母很多同事经常给我出趣味数学题,口算心算不用纸笔。那时正是“文革”时期,学校里学不到什么东西,放学以后有大量的时间,我就在家和小朋友一起砸电池或其它一切能砸的东西,还做火药、修自行车、做模型飞机、装收音机、做稳压电源,还有蒸馒头等等。

那时科学方面的书非常非常少。只有《十万个为什么》、《科学小实验》、《怎样组装晶体管收音机》和《赤脚医生手册》。我想当时喜欢科学的学生都读过这些书。那时对什么东西都好奇,好奇的结果就是把它砸开来,看看里头有什么。我的很多灵感来源于自己的胡思乱想,来源于捣鼓来捣鼓去,来源于砸开来看看。另外我觉得和人讨论对激发灵感很有好处,特别是和与你背景不一样人讨论,好处更大。最近我和数学家讨论得比较多,收获非常大。

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