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 王德奎 发表于: 2019-9-8 18:58:37|显示全部楼层|阅读模式

[人物·人事] 文小刚宽窄拓扑科学传奇

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B、凝聚态不可思议的宽窄拓扑革命
a、文小刚宽窄拓扑科学传奇
最不可思议的宽窄拓扑革命,是二次量子信息革命。我们在梳理省内外专家学者对宽窄哲学研究成果中看到,虽然走向“宽窄科学”已涉及宽窄控制论、宽窄突变论、宽窄信息论、宽窄混沌论、宽窄分形论、宽窄复数论、宽窄孤波论、宽窄耗散论、宽窄协同论、宽窄超循环论宽窄狭义相对论宽窄广义相对论宽窄量子论、宽窄数码论宽窄弦理论等,但具体到凝聚态宽窄科学领域,就不如美国科学院院士美国麻省理工学院文小刚教授解答的深入与专一
文小刚,1961年生西安人。1977年考入中国科技大学1981年考入美国普林斯顿大学师从国际弦理论大师威滕教授学习超弦理论,1987年获得博士学位。随后转向凝聚态物理,看到《潜科学》等杂志1989年首次提出微软雅黑">“拓扑序概念,揭示拓扑序和量子纠缠深层联系,以及引入对称保护拓扑相等概念建立分数量子霍尔效应拓扑序理论和边缘态理论,预言双层量子霍尔体系中的超流/超导现象揭示拓扑序和量子序的弦网凝聚的本质,并用弦网凝聚提出了统一光和电子的理论;提出研究高温超导机理的SU(2)规范场理论、量子序理论和自旋口袋模型建立描述分数量子霍耳效应低能元激发的边缘态手征Luttinger液体理论。但此后十多年因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。1991文小刚到美国麻省理工学院任教,1995年被提升为教授2002年当选美国物理学会会士2017年获国际凝聚态物理最高奖巴克利奖。2018年文小刚国际理论物理中心狄拉克奖
上世纪90年代开始有预言一维手征的“天使粒子”,可以出现在二维手征p波超导体的边界上。2017721日文小刚教授对证实的“天使粒子”,在美《科学》杂志发文章说:“这次发现的具体界面系统,可以模拟或者实现二维手征p波超导体,从而也实现了一维手征马约拉纳费米子……这次实验直接测到的是半整数量子化电导,它间接意味着手征马约拉纳费米子存在的可能性”。量子革命最不可思议的马约拉纳熵或“天使粒子”的发现,正是最典型的宽窄科学--线旋科学及三旋拓扑等前沿基础理论,也等待解读的对象。
文小刚教授说:“一维手征马拉约纳费米子,它是一个只能在一维线上,往一个方向跑的自己是自己反粒子的费米子”。但这与高能物理寻找80年的马约拉纳费米子很不相同,该马约拉纳费米子是三维的。文小刚教授曾在1993年的一个工作中指出:边界上的一维手征马约拉纳费米子,意味着晶体中一定存在非阿贝尔粒子。不过2017年发现的“天使粒子”实验,并没有直接检测到非阿贝尔粒子。但文小刚教授说:“此次实验用全新的设计,实现了二维手征p波超导体,其中的磁旋涡,也应该是非阿贝尔粒子”。这里文小刚教授说“磁旋涡”,就联系“宽窄科学拓扑词典”说的“宽窄科学--线旋科学及三旋拓扑”。而且文小刚教授也实话实说“这次实验边界上的手征马约拉纳费米子,是非阿贝尔粒子的另一个间接证据。所有这些证据都是间接的,但证据越多,我们就越有信心”。
文小刚教授的意思也许是,这次在实验中观测到的一维手征马约拉纳费米子模,是通过观察输运性质看到的马约拉纳模,也就是只在电子准粒子系统中,看到了类似于马约拉纳费米子的量子态。因为从固体能带论和量子限域效应建立的时间起,特别是完成从“天使粒子”到“天使世界”的最后“一公里路”之后,更有把握说磁旋涡”就涉及“宽窄科学拓扑词典”说的“宽窄科学--线旋科学及三旋拓扑

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 楼主|王德奎 发表于: 2019-9-8 18:59:26|显示全部楼层
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如果说“宽窄科学拓扑词典”看万有引力涉及的物体、星体、正物质,即使无限“宽”,但和整个正、反宇宙、平行宇宙的无限多“宽”比起来,仍然属于“限域效应”──“窄”。但这里万有引力涉及的限域效应的“限域”也许太“宽”大了,凝聚态物理宽窄科学说的限域效应,主要联系的是材料和偏振量子数──这里限域效应第一个涉及的首选是能带理论和能隙现象。定态薛定谔方程分立的能量值可以是有限数目的,也可能是无限多的。能级及其上占据的粒子的自旋,要通过其他过程才被注意到。自旋与偏振相比,自然偏振容易管控得多。所以做量子纠缠实验,潘伟建院士首先采用的是从光子入手偏振。先不说自旋分的费米子和玻色子,定态薛定谔方程中波函数ψ不含时间;时间因素另由相应的相因子e-iEt/h描述。
但这里相因子也与偏振的状态有关。从一维谐振子、一维无限深势阱到二维无限深势阱,能隙是能带之间的能量间距;能带涉及大块物质。从一维谐振子到一维原子链,其中电子的能量本征值呈一段一段的带状分布。不考虑缺陷,可把一块晶体看成由位置固定且严格有序的正离子实和在其中自由运动的电子组成的。原子实在晶体的空间结构三个独立的方向具有周期性,固体中的价电子也是按照能量从小到大的顺序占据能带中的能级的。最上面被占满的能带叫作价带,最下面空的能带叫作导带。价带顶部到导带底部之间的间隙,也叫作能隙。绝缘体的能带要么被占领,要么为空。满带和空带之间有能隙。
一个被占满的能带没有导电的能力,所以成绝缘体。所谓的导体,是其价电子占据的最高能带可能是两个能带交叠的这种半满的能带。而半导体是能隙不是很大,室温下也有一定量的电子被激发到导带中去,让材料具有相当的导电能力。而被称为宽窄拓扑绝缘体的特殊材料,是因固体都是有限大小的,因此必然存在表面。相对于完美平移对称性原子排列的晶体,表面就是一种缺陷。
有限尺寸的绝缘体,其表面有可能导致一些处于带隙中间的能态,使该绝缘体的表面部分具有一定的导电性,而且改变表面原子的排列方式或者化学环境,表面的能级也可能会移动。如中科院凝聚态卓越中心找到的外尔(韦尔)半金属砷化钽(TaAs)家族材料其内里是绝缘体而表面是导体的拓扑绝缘体材料。电子的自旋和运动方向之间是锁定的,表面态上的电子自旋保持与动量垂直,表面态受粒子数守恒和时间反演对称性的保护,不容易被破坏。
这里的限域效应,联系上世纪60年代前后四川宽窄科学研究发轫──川大“柯召-魏时珍猜想”也称“庞加莱猜想外定理”,研究涉及的类似灵魂猜想和灵魂定理──数学上定义的“灵魂”,是“针对某类特定的数学对象,可从这类数学对象的一些小区域,将性质推广到整体。这些小区域,称之为数学对象的灵魂”。再联系卡--丘空间,灵魂猜想研究发现的是一个非紧非负曲率的黎曼流形的拓扑,所有的拓扑信息都包含在一个紧集合上,这个集合被取名为soul(灵魂)。灵魂猜想是说,上述流形如果在某一点的曲率是严格正的,那么soul就是一个点,此时流形同胚于欧氏空间。灵魂猜想和灵魂定理能把拓扑绝缘体、马约拉纳费米子和引力子结合在一起。
这涉及三个方面:一是联系空心圆球内表面翻转成外表面,涉及庞加猜想外定理,而与玻色子变费米子有关。二是联系约瑟夫森效应和量子霍尔效应等量子隧穿现象,涉及“贝里洞”和贝里张量,而与超导体和拓扑绝缘体有关。例如,在两块超导体中间夹一层薄薄的绝缘层构成约瑟夫森结,即使不加上电压,也能观察电子对飞越间隙的隧穿电流。这时绝缘层两端的电压是hf/2e 的整数倍,其中h 为普朗克常数,f 为微波辐射的频率,e 为基本电荷。三是联系霍金与彭罗斯的奇性定理引力强到足以捕获一个区域,涉及正常的闭合二维面和引力子闭合捕获面,而与费米子的自旋和转轴的偏振量子数有关。这又进一步联系到霍尔效应材料。
量子霍尔效应是将特制的半导体器件置于超低温和强磁场的环境中,可以观察到当电流流过置于磁场中的介质时,磁场会产生一个作用于载荷子的力,力的方向既垂直于磁场的方向,也垂直于电流的方向,从而促使电荷在器件的侧面聚集,产生一个电压以及与电压对应的电场,抵抗载荷子承受的磁力。这一电压与外加电流和磁场强度成正比,由于量子力学的作用,量子霍尔效应也可以与磁场强度及半导体器件的材料无关。如反量子霍尔效应。

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 楼主|王德奎 发表于: 2019-9-8 19:00:03|显示全部楼层
b、文小刚与天使粒子宽窄科学
研究“天使粒子”的实验,发现在磁性拓扑绝缘体薄膜与超导体混合的结构中,施加强度很低的磁场之后,会形成量子反常霍尔效应态与超导态共存的状态,此时在磁场交替反转的位置,可以观测到手性拓扑超导序对应的半整数量子化电导,这种现象也是马约拉纳费米子模式的一个鲜明特征。1937年埃托雷•马约拉纳预言,有一类特殊的费米子,像光子等玻色子一样,它们的反粒子就是自身,这种费米子就是如今所说的马约拉纳费米子。正反同体,神秘莫测。物质性质各有不同,它们从何而来?在文小刚教授认为,对世界的认识是通过发现、统一,更多发现、更多统一的循环,一步步地深化。
一般认为,每一种粒子都有其反粒子,且状态与粒子本身相反,粒子与反粒子相遇会瞬间湮灭。80年来发现的马约拉纳费米子,是从有粒子必有其反粒子,被认为是永恒不变的真理出发,作的反其道研究。文小刚教授2019723日在中科院物理研究所,作的《物理的新革命──量子信息:物质和相互作用的起源》报告中说:“每一次的大统一,都可认为是物理学的新革命。而每一次新革命都为我们打开了新世界,许多基本概念和看问题的方式会发生变化,随之描写世界的语言、数学工具也会发生改变……我们生活在量子计算机里面。量子信息是真实的,而所看到的各种物质、人,都是量子信息的虚拟反映文小刚教授是把宽窄科学引向一个新台阶:虚拟”认识。如果把宽窄科学--线旋科学拓扑“刚柔相济”,类比“生态位”存在资源和环境两个组成部分的联合描述,允许物种满足其最低要求──当资源和环境条件被生物所改变时,生物本身也会被改变。
那么由此,既然宽窄科学的资源和环境已降临到量子计算机风暴革命时代,所学专业与人工智能宽窄数学、计算机、机器视觉深度神经网络结构自动设计等AI基础密切相关,那么宽窄科学也需与时俱进建立一套宽窄科学人才认证体系,或叫先进、开放、包容让世界的优秀人才为己所用的培训和等级考试行业权威
近代以来各国学校教育进步统一的先后变化,也充分说明了这一点第一次是英国物理学家牛顿力学革命统一天体运动和地面物体运动的规律,发展微积分作为数学工具描述牛顿方程,进入大中学校的培训和级。第二次是英国物理学家麦克斯韦电磁学革命统一了电、磁、光3种貌似不相关的自然现象,发现新的物质形态──波形态,使用类似纤维丛的数学工具,进入大中学校培训和级。第三次是爱因斯坦相对论革命将时间空间的弯曲和引力作用统一,预言新型物质形态引力波的存在,其黎曼几何数学理论基础──这实际与宽窄科学--线旋科学及三旋拓扑“柯召-魏时珍猜想”等开始弯道和直道“超车”有关。第四次如今培训和级据工信部2018年公布的数据显示,类似人工智能宽窄科学人才缺口达500万以上──国正面临人工智能宽窄科学人才稀缺,供给率不足5%
宽窄科学--线旋拓扑物理需要数学语言来描写。文小刚教授认为牛顿了不起,不仅发现了物理定律,还发展了新的数学语言,使得物理理论能够被写出来。在第二、三次宽窄科学--线旋拓扑培训和革命中,数学家走在了物理学家前面,新的数学工具先被发明,物理学家直接拿来借用第四次宽窄科学--线旋拓扑量子二次革命如何呢?文小刚教授认为是当下最神秘、最不可思议的物理革命”。
由于历史的原因──无产阶级革命虽是一种正能量;但也有人把“革命”当成是“造反有理”而出现负“科商”:以为概念创新,脱离实事求是和科学实验四次主流传统延伸,反相反量反中医也能“弯道和直道”超车。如“超光速”除计算错误,数论上分“虚数超光速”和“实数超光速”。量子信息隐形的虚拟传输反映了很多奇特的自然现象而发展起来的“虚数超光速”,文小刚教授笑称是物理学家们“非常不情愿的”量子革命最本质的特征是对“存在”的认识发生了根本性的改变。就像“薛定谔的猫”,活是存在,死是存在,既死又活也是真实的存在。“这种认识是被逼出来的,没有一个理论物理学家喜欢”。但历史因“以苏解马”的培训和级,使“实数超光速”被一部分专家学者和粉丝,当成唯物辩证“旗帜”,使“宽窄哲学”的刚柔相济一部分变得“纠结”,或不了了之。

 楼主|王德奎 发表于: 2019-9-8 19:00:38|显示全部楼层
但最不可思议刚柔相济的宽窄科学--线旋拓扑量子二次革命,与时俱进是“量子纠缠”存在类似“虚数超光速”的量子信息隐形传输。这种认识颠覆了传统的“以苏解马”,即量子世界波粒二象性,物质的存在既不是粒子也不是波,既是粒子也是波──这就是文小刚教授说的:量子革命之所以意义重大,还在于数学工具也发生了“革命性”改变,即从前三次物理革命中运用的分析几何语言发展为线性代数语言。信息和物质是统一的,这也是第二次量子革命的本质。“能量是物质的性质,频率是信息的性质,量子物理认为能量就是频率,也就是说信息与物质是刻画同一对象的不同表述,而能量和频率是刻画同一物理量的不同表述。由于历史认识偏差,它们之间存在一个转换系数:普朗克常数……空间、物质起源于量子信息。世界上所存在的各种各样的物质,其所具备的奇妙性质是由量子比特和量子纠缠产生的,而量子信息和量子纠缠处在第二次量子革命中心的地位。描绘量子纠缠需要新数学,未来,除了融合范畴学,还需要高级范畴学、代数拓扑等各种现代数学的参与,它们将发挥重要的作用

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