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物理最高荣誉者文小刚:追求诺奖只让我们离它愈远 分享

【他是谁】

文小刚,中国科学技术大学物理系本科毕业,普林斯顿大学博士毕业。目前他是麻省理工学院(MIT)教授,主要从事量子霍尔液体、高温超导体、拓扑序/量子序及新的物质态,基本粒子的起源的方面的研究。2016年美国物理学会宣布,文小刚获2017年凝聚态物理最高奖巴克利奖。

【精彩言论】

1、在做创新研究时,要大胆的向前走,不要怕逻辑上的欠缺、甚至是失误。因为逻辑上的问题,总可以回过头来修补。如果你没有大胆的猜测幻想什么东西,那连修补的机会都没有。

2、基础科学的目标,是开拓知识的疆界,把未知变成已知。所谓的未知就是连名字、连问题都没有的未知。做科学研究,我们要清楚地意识到,还有没写出来的理论,还有没有名字的未知。这些才是创新研究的目标。

3、最基础的科学研究是打造新的知识框架。做这一类的科学研究,不能用解习题的心态。而是要跟着感觉走,追求自己心中所认知的美,满足自己天生的好奇心。

4、我很希望中国的学术评估体系(包括入职提职和科研经费)能够支持这些以好奇心推动的“无用”科学研究。其实我们现在最有用的科学成果、都是通过这些当时“无用”的科学研究得来的。

5、大量的标准人才,对工程技术的发展会非常有用。但对以创新为目标的基础科学研究,则很不合适。

6、别人研究科研得诺奖,我们研究诺奖做科研。追求诺奖讨论诺奖只会让我们离诺奖越来越远。

物理最高荣誉者文小刚:追求诺奖只让我们离它愈远

【正文】

在1989前,人们还不知道应该用怎样一个名字描写已经发现的量子霍尔效应以及当时没有发现的量子自旋液体。1989年,文小刚首次提出了“拓扑序”概念,描述了上述现象,但此后十多年,因为新的量子自旋液体和非阿贝尔物质态,一直没有被实验实现,“拓扑序”这个概念并没有得到广泛认可,直到1999年之后,才成为现在凝聚态物理研究的主流。

对于这种“前无古人”的研究,才是文小刚所追求的基础科学创新。他总是让自己的研究跟着感觉走,保持天生的好奇心,追求自己心中所认知的美。他曾经说过“新颖比真实更重要,鼓励大胆的猜测”,是因为他认为在做创新研究时,要大胆的向前走,不要怕逻辑上的欠缺,甚至是失误。因为逻辑上的问题,总可以回过头来修补,但如果没有大胆的猜测,那连修补的机会都没有了。

文小刚的研究,关键部分主要都是猜测,用他的话来说,就是东猜猜西猜猜,不停的猜。他会让自己的想象和联想天马行空,自有奔驰。因此,文小刚有个别称“艺术物理学家”。他是老子的粉丝,喜欢从自然科学的角度来看老子的思想。比如老子说的“道可道,非常道。”文小刚认为,能够写出来的理论,都受写理论的预言、数学限制,做科学研究,要清楚地意识到,还有没写出来的理论,还有没有名字的未知,这些才是创新研究的目标。

这是文小刚一直强调的,基础科学的目标,是开拓知识的疆界,把未知变成已知。所谓的未知就是连名字、连问题都没有的未知。

“但最基础的科学研究是打造新的知识框架。做这一类的科学研究,不能用解习题的心态。而是要跟着感觉走。我很希望中国的学术评估体系(包括入职提职和科研经费)能够支持这些以好奇心推动的’无用’科学研究。其实我们现在最有用的科学成果、都是通过这些当时’无用’的科学研究得来的。”文小刚认为。

以下为网易科技对文小刚教授部分采访内容:

1、我们都知道您最早提出了“拓扑序”这个概念,但对于大众来说可能稍微熟知拓扑绝缘体的概念,您能稍微解释一下二者的关系吗?

拓扑序的概念是我在1989年提出来的。拓扑绝缘体的概念是Kane和Mele在2006年提出来的。拓扑序的概念描写了当时已经发现的量子霍尔效应,也刻画了当时还没有发现的量子自旋液体。并导致了1991年、在理论上发现的、可以用于量子计算的、非阿贝尔拓扑物质态。但拓扑序的概念提出后,新的量子自旋液体和非阿贝尔物质态,一直没有被实验实现。所以拓扑序概念提出后,十多年来,并没有得到广泛的认可。直到1999年之后,才慢慢的成为现在凝聚态物理研究的一个主流。

而拓扑绝缘体的经历就很不相同。2006年二维拓扑绝缘体的概念提出之后,很快就在实验上被实现。(这个实验实现,是德国的一个实验组和张首晟一起做的。)紧接着三维拓扑绝缘体也在理论中提出,并很快在实验中实现。由于这些原因,拓扑绝缘体很快成为凝聚态物理研究的一个主流。

拓扑序是比拓扑绝缘体,更加稀奇古怪,更加丰富的物质态。拓扑序中,存在分数电荷,分数统计,还有非阿贝尔统计。最后这一性质可以用来做通用拓扑量子计算。拓扑序还有零电阻的边界态。

而拓扑绝缘体没有这些分数化的元激发。不能用来做通用拓扑量子计算。但拓扑绝缘体也有接近于零电阻的边界态。这些拓扑序和拓扑绝缘体的边界态可以用来做各种各样的电子器件。

其实,拓扑绝缘体一开始的研究,受拓扑序的影响,主要是围绕其边界态来做的。Kane和Mele的文章还不太准确地把他们的新发现称之为一种拓扑序。后来有了进一步的理解之后,大家才起了拓扑绝缘体这个新名字以示区别。

2、您说过,新颖比真实更重要,鼓励大胆的猜测。您在提出拓扑序这个概念时,也是面临着前无古人的一个现象。您是如何大胆的提出这个概念,为何是这样的一个命名?

我说过新颖比正确更重要。我想表达的意思是在做创新研究时,要大胆的向前走,不要怕逻辑上的欠缺、甚至是失误。因为逻辑上的问题,总可以回过头来修补。如果你没有大胆的猜测幻想什么东西,那连修补的机会都没有。我个人做研究,关键部分主要都是猜。东猜猜西猜猜,不停的猜。

当你发现一个新东西的时候,总要起一个新名字。能够遇到起新名字的机会,是一个科学工作者的福气。拓扑序这个名字是受我博士导师Witten的影响。他当时做了一个拓扑场论的工作。

3、您曾经说科学的目标不是解决问题,而是开拓知识。但是,现在很多科学研究的经费支持都需要阐述其影响和作用。您如何看待这个问题?

基础科学的目标,是开拓知识的疆界,把未知变成已知。所谓的未知就是连名字、连问题都没有的未知。所以申请基础研究的经费的时候,你没法说,你要发现什么东西,解决什么问题。因为这些东西、这些问题的名字,是你做研究之后的成果。

在你进行研究之前,这些未知连名字都没有。一个连名字都没有的东西,更无法论述它的影响和作用。以此形成反差的是、工程技术的研究常常是解决一个已知的问题。问题名字都有了,知识框架都有了,就是答案还不知道。这有点像学生解习题,在现有的知识框架中求得一个问题的答案。

但最基础的科学研究是打造新的知识框架。做这一类的科学研究,不能用解习题的心态。而是要跟着感觉走,追求自己心中所认知的美,满足自己天生的好奇心。我很希望中国的学术评估体系(包括入职提职和科研经费)能够支持这些以好奇心推动的“无用”科学研究。其实我们现在最有用的科学成果、都是通过这些当时“无用”的科学研究得来的。

4、您是老子的粉丝,他的哪些思想对您的研究有了启发?

我是从自然科学的角度,来看老子的思想。我觉得老子的思想,是关于科学理论的理论。他鼓励人们,用新的角度,新的视野,新的高度,来观察探索世界。

比如老子说道可道,非常道。我理解为,能够写出来的理论,都受写理论的语言,数学限制,而不是终极理论。名可名,非常名:能够讲出来的东西,受语言限制,也不会是所有的东西。做科学研究,我们要清楚地意识到,还有没写出来的理论,还有没有名字的未知。这些才是创新研究的目标。

5、如何让青少年对科学感兴趣,而不是感到科学是个枯燥乏味的课程。

我觉得好奇心是天生的。我自己是在文革中受到中小学教育。幸运的是我的好奇心、没有被繁重的考试习题所抹杀。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。“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。

文革后上大学,喜欢看一些课外科学书籍。看也看不懂,只好瞎猜。这正好养成了我喜欢猜的习惯。对我做科研非常重要。

6、现在量子计算、量子通信的概念非常火,与您现在的研究有怎样的联系?您如何看待目前中国的量子信息技术的发展?

我个人没有在量子计算量子通信方面做工作。但我做的拓扑序工作,是Freedman和Kitaev提出的拓扑量子计算的基础。(1989年我开始做拓扑序的时候,量子计算这个领域还没有起飞。)

我个人觉得,在世界范围内,量子计算和量子通讯还在基础科研阶段。要做出和经典计算机和经典加密通讯一样有用的量子计算机和量子通讯,还有很长的路要走。现在做一个东西,再把它叫做量子计算机,不是一件很难的事。但要让做的东西,比经典计算机还要好用还要快,则还有很大的差距。作为基础研究,我个人觉得发展量子计算机更重要。在这一点上,我比较认同美国的努力方向。量子计算机和量子通讯的工程建设,现在可能还有些早。另外量子计算机量子通讯的工程建设,应该部分由工业界、以商业利益为动机、来推动。

7、交叉学科的重要性越来越凸显,您如何看待交叉学科的这种情况,越来越多的发现会因为交叉学科而起吗?在专注与交叉学科的平衡上,学生如何处理?

的确,交叉学科是非常重要的。我个人读博士的时候,学的是高能物理的超弦。毕业后,转行搞凝聚态物理。这一经历对我的科研工作非常有帮助。

拓扑序是在凝聚态物理领域里提出的概念。但它的一个可能的应用是量子信息领域的拓扑量子计算。它还导致了一个基本粒子起源(物质起源)的一个新的世界观。这个新世界观的出发点是认为我们的空间、是由量子比特所组成的量子比特海。如果海中的量子比特有一个特定的拓扑序,那么量子比特海的波动,将会表现得和光波一模一样(既满足麦克斯韦方程)。量子比特海中的“气泡”(即缺陷)将表现的跟电子一模一样(既满足狄拉克方程)。这是一个利用量子信息,来统一所有物质、以及引力以外所有相互作用的、超大统计理论。

拓扑序作为一个以前人们从来没有意识到的自然现象,它的很多概念都没有名字,都需要用新的数学来描写。我们发现,描写拓扑序的数学语言是非常抽象的张量范畴学和代数拓扑。这是一个凝聚态物理和现代抽象数学的密切交叉。它也反映了、拓扑序甚至能带给我们对空间本身、更加深刻理解。

凝聚态物理,量子信息,高能基本粒子物理,和现代抽象数学的深刻联系,反映了交叉学科的重要性。更直接的说、是反映了非标准知识的重要性。中国的教育非常有效率。尽量把学生都训练成掌握标准知识的标准人。大量的标准人才,对工程技术的发展会非常有用。但对以创新为目标的基础科学研究,则很不合适。做创新研究的人员更需要的是掌握哪些非标准知识。这样才能够发现洞察、标准人才意想不到的东西。

但什么是非标准知识,如何掌握这些非标准知识?这里没有标准答案。我只能说跟着自己感觉走,跟着自己的心走,让自己的好奇心指导自己到底选什么课。喜欢什么就学什么。以自己的好恶,自己的好奇心,打造自己的知识体系。这样的人才,也许比较合适做基础科学研究,开拓知识的疆界,发现未知的世界。这样的教育理念,和中国现有的大学教育理念非常不同。

8、马约拉纳费米子的证实前一阵还是很轰动的。我们也第一时间对张首晟教授后来对何庆林也就是王康隆教授团队进行了报道,对于科学发现的归功的争论问题,您怎么看待?马约拉纳费米子的证实会产生怎样的意义?

马约拉纳费米子的确是物理学家苦苦搜寻了80年的一种粒子。但这里我要指出,大家搜寻八十年的马约拉纳费米子是三维的马约拉纳费米子。但这次发现的马约拉纳费米子是一维手征马约拉纳费米子(也就是说是只能在一条线上往一个方向跑粒子)。这和大家搜寻80年的三维马约拉纳费米子很不一样。

我在1992年,就预言了在一个二维非阿贝尔拓扑序的边界上,会有一维手征马约拉纳费米子。1999年Read和Green预言了在二维p波超导体的边界上也有一维手征马约拉纳费米子。这次他们的发现、对应于p波超导体的边界上的一维手征马约拉纳费米子。可是由于测量手段是间接的,到底有没有真的发现一维手征马约拉纳费米子,目前还有争论。最近有两篇隔天贴出来的论文指出,即使没有一维手征马约拉纳费米子,也可能出现实验上观测到的平台和曲线。所以这一发现,还需要有更多的实验,来进一步确认。

9、诺奖颁布以后,大家有引起了对中国科学家何时获得诺奖的讨论,您怎么看待这一问题。您曾经离诺奖也非常近。

最近我在网上看到了一句话,其大意是:别人研究科研得诺奖,我们研究诺奖做科研。追求诺奖讨论诺奖只会让我们离诺奖越来越远。

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