1、解读张守晟和文小刚 从里奇张量和韦尔张量实际的起源,看黄秀清教授说:"新生代海外华人物理学家中也有两位杰出代表,一位叫张守晟,另一位就是文小刚,他们被认为是诺奖级别的大牛"。令人惊讶的是,张守晟和文小刚他们的理论,与应完整可以整合起来,可构筑中国理论物理学的图景。据罗会仟教授说,我们生活的这个宇宙世界,充斥着许多地球人不了解的暗能量、暗物质,剩下的只是可怜的人类自以为认识的小小世界。从这个小小世界告诉你,宇宙这个大世界是什么样的? 凝聚态物理学家文小刚教授已经在大胆推测:我们生活在一锅"面条汤"里,用更具有量子味道的语言来说,就是我们生活在一个量子信息世界,整个世界就是一个巨大的量子计算机──科幻黑客帝国里的矩阵世界,可能比真实的物质世界"更真实";前提是,你得进化到量子世界里去。1981年文小刚选择了普林斯顿,但去后才发现原来高能物理很热闹,于是他转而搞高能物理,弦论的理念就此在他脑中扎根。博士后期间在加州大学圣巴巴拉分校,他的著名的诺奖得主同事、超导BCS理论中的施里弗,又用超导研究的魅力吸引他回归到凝聚态物理领域。1989年回到普林斯顿的文小刚,已经变换追求物理之美的兴趣。如凝聚态物理理论框架最重要的就是朗道的费米液体理论和对称自发破缺理论,但文小刚认为,这个理论框架不够完美,或者,没有到物理最底层的实质。于是他展开了漫长的寻找世界本源的历程,找到了"一锅面条汤"和"量子信息世界"。 如他写的《量子多体理论:从声子的起源到光子和电子的起源》。在凝聚态物理学家们眼中,文小刚的理论曲高和寡,常人难以理解,有点像粒子物理学家看那些做弦论或膜论的科学家。那"面条汤"到底是啥?就是一百多年前,当年经典物理陷入的危机之一,就是光的载体──以太到底是否存在?迈克尔逊-莫雷的实验证明光速是各向同性的,也就是说经典的以太并不存在。但一百余年后的今年,已经是量子力学的物理时代,量子形式的以太会有么?我们清楚地知道光是一种电磁横波,但是什么东西的振动产生了电场和磁场,又是什么东西的振动产生了光? 文小刚带着一个从本科时期就孕育的物理问题,思考出了新形式的以太──弦网液体。 这个想法很简单,因为光是横波,而液体是不能传播的──液体里只有如声波等的纵波,固体里面不止有横波也会有纵波,所以必须寻找到一个既不是液体也不是固体的物质。文小刚借用弦理论中的思想,在那里基本粒子都从零维的点模型变成了一根根一维的弦,弦的振动、卷曲、缠绕的方式决定了粒子的质量、电荷、自旋等性质。如果假设我们的世界是由无数根看不见的"弦"组成,弦在不断随机波动地涨落,就像一锅开水中的面条一样(有的面条是个圈),形成了"面条汤"--弦网液体。找到了量子世界的以太,那么光就是弦网的密度波(只有横波分量)。文小刚很显然认为,他对弦网世界里电磁场也很容易得到解释──也不过是弦网端点分布造成的结果而已。 即他的这锅"面条汤"巧妙地利用弦的概念,统一了光子和电子/夸克。而电子和夸克可以组成一切原子,这些都是凝聚态物理中最基本的研究对象!就像粒子物理学中的弱电统一模型甚至大统一模型,无处不在的希格斯场让粒子拥有了质量。在凝聚态物理学中,无处不在的弦网液体形成了光子和电子,我们的世界因这锅"面条汤"而变得鲜活。而且对弦网究竟是什么?文小刚说,其实就是量子世界的"长程纠缠"。用这种长程纠缠的概念,可以推导出麦克斯韦方程和狄拉克方程──这是现代物理学中最基本的方程,也很有希望统一描述所有的基本粒子。进一步为了更清楚地描述弦网凝聚思想,文小刚借用了量子计算机中的量子比特概念──量子比特其实代表的就是空间中的量子相互作用信息。量子比特的元激发,就像固体中声子元激发一样,会产生准粒子。不过这里的"准粒子"就是光子和费米子,由于长程纠缠弦网凝聚的作用,光子和费米子可以稳定存在。我们的空间充斥着无数量子比特(好比一个巨大的量子计算机),其基态就是真空,而其激发态就是基本粒子,其运动造成的结果就是电磁波。 但有人说,文小刚的《量子多体理论:从声子的起源到光子和电子的起源》确实有启发性,但他的弦网液体理论解释电子,是讲"如果面条不是个圈,那么它的端点就正好对应一个带电荷的费米子──它就是电子或夸克",这对"把电子、光子解释成像声子那样的低能激发,可能确实是事实,但这个图像还是不会令人满意(即它不可能是终点)。弦网凝聚又是什么呢?打一个比方,声子是格点的振动激发,声子是解释清楚了,但格点的物质承担者是什么?是原子分子,其本质是什么,这还是需要解释。最终,这是一个无限循环的无法穷尽的解释。古印度认为世界就在一只乌龟上,那么乌龟在什么上面?又在另一只乌龟上面,...,无法穷尽的乌龟,等于没有解释。可能世界在乌龟上确实是事实,但这幅图景还是没有穷尽"。 我们认为:文小刚在西方学习──作为中国的有识之士──恨不得打赤脚追赶欧美等西方高歌猛进的夸克与弦论物理,是正确的。文小刚从本科时期就孕育的光子和电子起源的物理问题,发展弦论也是合符人们的习惯的。但文小刚要弦的概念统一光子和电子/夸克,道路也许还漫长。因为文小刚只知一维的弦的振动、卷曲、缠绕的方式,决定了粒子的质量、电荷、自旋等性质,这仅是一种科普解说。由于电子等轻子和夸克费米子,各是6种;基本粒子的质量起源有生成说和组成说之分,从一维的弦走到6种电子等轻子和夸克费米子,数学还有许多具体问题。这正类似张首晟在单量子上所做的具体工作。 在西方创建夸克与弦论的早期,中国也有类似的起步,当然如果没有世界别的主要国家的这类主流科学研究,我国的那些探索也不会被发表。相比文小刚是理论,张首晟就类似借用弦理论中的应用。 做基础研究不容易,搞理论应用也不容易。张首晟教授提出的"量子自旋霍尔效应"新理论研究,已被纳入《科学》杂志2007重大科学发现之一。据普遍认为,摩尔定律将因为计算机芯片过热问题而失效,是否有其它创新方法或概念改变而持续定律?张首晟领导的研究团队提出"量子自旋霍尔效应",已被德国的维尔茨堡大学实验室小组进行实验,确认量子自旋霍尔效应利用电子的自旋性质、电流在边缘流,创造新电路而不会产生太多热能。张首晟教授和他的学生胡江平等所开展的研究工作,为在半导体系统材料不变,而改变原理情况下,可留下过去20几年的半导体产业投资,仅在更换不同材料下重新开始投资,在半导体系统找到新的工作原理,还为建立"大统一场理论"提出了一个新方向。他们找到的这种方法,可窥视使表面上看去互不相容的量子力学和广义相对论相互统一起来。这就是从固体物理的量子霍尔效应出发,来解决"大统一场理论"问题的。 量子霍尔效应发生在二维空间,张首晟则利用量子液体模型,将量子霍尔效应扩大到4维空间。这正是文小刚和张首晟的结合点。爱因斯坦的狭义相对论是解释电磁力的,而爱因斯坦的广义相对论是解释引力的。有人说:"张首晟的研究工作是将量子力学同广义相对论相互统一起来,从量子力学出发进行推导。在爱因斯坦广义相对论中的引力方程有两部分:一是线性方程,二是非线性方程。目前张首晟等人已推导出线性方程,下一步若推导出非线性方程,即将现代物理学的三大支柱量子力学、狭义相对论和广义相对论统一起来",他感到有点玄乎。而且张首晟也说,要推导出非线性方程,还是会遇到很多预料不到的数学困难。其实这是不知道,这种非线性方程,是属于里奇张量的原故。里奇张量数学揭示的是:匀速直线运动和匀速圆周运动虽然两者都是匀速运动,但本质是不同的。
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