【www.shanpow.com--物理试题】
篇一:[文小刚]文小刚：光的奥秘和空间的本源 | 经典回顾
文小刚 美国麻省理工学院物理系
無名天地之始；有名萬物之母。故常無欲以觀其妙；常有欲以觀其徼。此兩者同出而異名同謂之玄。玄之又玄衆妙之門。
── 老子
这是《赛先生》专栏【众妙之门】的第一篇文章。 这一专栏主要是想介绍自然之理物性之理，展示自然大观的丰富和人类智慧的深刻，以及它们之间精彩的对决。由此我们可以欣赏人类文明发展的脉络。
光是什么?
这似乎是一个很简单的问题，然而历史上，它却开启了人类的智慧和视野。对光认识的演化，反映了人类文明的进程。
对于光是什么这个问题，相信很多人都会回答：光是太阳发出的东西。但这并没回答我们真正想要问的问题。我们真正想要了解的是光本身究竟是什么?
图1三位历史上曾经对光的理解做出巨大贡献的物理学家。
在较早期时代，大科学家牛顿认为光是一束粒子。为什么会这样说?因为光以直线行走，而且我们可以将光束分成很多部分。你可以阻挡部分的光，而剩余的部分会不受影响的通过。另一些科学家，如虎克 (Hooke)， 惠更斯(Huygens)则认为光是波，而非粒子。光是波这种说法有点儿奇怪，似乎采用了一个不太自然的角度来看光。
这两种理论哪一个才是正确的呢?也就是说，那一个理论能够圆满解释光的现象?
折射是光的一个基本现象。当光线经过一个媒介时，例如玻璃，光线前进的方向会弯曲，更垂直于玻璃的表面(见图2)。我们如何解释光的折射现象呢?根据牛顿的粒子理论，当光线照射到界面上，光的粒子会感受到有一股力将它们拉向媒介内。这些粒子前进的方向便会改变，因而造成光的折曲。当光线离开玻璃时，粒子会感受到相反的力。所以，光线会折向另一面，这就是粒子理论对折射的解释(见图3左)。但按照虎克和惠更斯波动理论，光就是波。当波照射在界面上，波会在媒体内会减慢速度，使波面以至光线弯曲，这就是波理论对折射现象的解释。
图2。光从玻璃片经过时折射现象的实验图景
图3。 光折射现象的粒子和波理论的解释示意图
请注意，这两种理论好像有很不同的结论。在粒子理论中，光在媒介里的速度比较快;但在波动理论中，光在媒介里的速度却比较慢。由此可见，这两个理论会有很不同的结果和预测。究竟哪一个才是对的呢?在科学界里，我们会利用实验来作判断。你可以提出不同的理论，得到不同的结论，但这些都必须通过实验来验证。实验发现，在媒介内光的速度会比较慢。这告诉我们波动理论胜出。虽然用波动理论来看光不是一件很自然的事，但这理论却反映了真实的光，即光就是波。
波动理论除了能够解释光在媒介内会减慢速度外，还有更引人注目让人吃惊的预测。当光是波时，光就会有一种所谓的干涉现象。当你将两个波迭加时，如果波峰对着波峰、波谷对着波谷，便会形式一个较强的波(见图4a)。但如果你将两波调校至波峰对着波谷而波谷对着波峰时，两波合起来便会互相抵消，什么都没有了(见图4b)。这就是波的一个非常特征的性质。在光的粒子理论里，就没有这个干涉现象。
图4 光干涉现象的示意图
在光的粒子理论中，当我们将两部分粒子放在一起时，光的强度只会增加;但在光的波动理论中，当我们将两个波同样地放在一起，光的强度可能会增加或减少，取决于它们如何排列(见图5)。
图5 光的相长干涉和相消干涉示意图。
人们可以透过牛顿环这个实验，来看到光的干涉现象，进一步确定了光的波动性质。在这个实验里，我们把凸玻璃置于另一块平面镜上，这样它们之间就有细小的空气层(见图6)。当光线照射时，光线会分别被玻璃面和镜面反射。如果两光线能够波峰对着波峰，波谷对着波谷排列的话，相长干涉便会发生。但如果光线照射到另一处位置时，波谷对着波峰，则会发生相消干涉。在凸玻璃和镜的中央，凸玻璃的底面和镜的上面互相紧贴着，这时光线是同相的。当光线远离中央时，空气层就会越来越大。最终，反射光线会发生相消干涉(见图7)。这就解释了为何会首先看见暗带。当距离越来越大时，两波会再次排列成波峰对着波峰，你就会看到亮带，如此类推。这个实验给出光就是波的证据。
图6 观察牛顿环的实验装置。
图7 用绿色光拍到的牛顿环的实验图景。
以上实验采用的是绿色光，但假如你改用白色光，你仍然可以看见环带，而且还有颜色(见图8)。当你仔细地看亮环的外缘时，你会发现，颜色是红色和黄色，为何会是这样呢?这原因就是白光中拥有所有颜色的光。对于某些颜色的光，第一个暗环会较为靠近中央。但对于另一些颜色的光，环带会较远离中央。对于蓝光而言，相消干涉首先发生，蓝光暗环较为靠近中央。这时，我们看不见蓝光，我们所能看见的就是红光和黄光。所以，中央亮斑外缘是红色和黄色。红光和黄光接着发生相消干涉，而形成暗环。所以，亮环的外缘是红色和黄色。
图8 用白光拍到的牛顿环的实验图景。
这个实验不仅解释了光的干涉和折射现象，更让我们理解究竟什么是颜色。其实，我们眼睛所看见不同的颜色出自于不同的波长(见图9)。牛顿环的实验告诉我们，蓝光的暗环比红光的暗环较靠中心。所以波长较短的是蓝光，波长较长的是红光。光的不同颜色来源于其不同的波长，这不是课本种强加给我们的教条，而是对不同颜色光做干涉实验得出来的结果。以后当我们在课本中看到类似的论述时，我们应该多想想这些论述是怎么得出来的。他是作者的凭空臆想还是有实验支持?
从颜色到干涉，光的波动理论，对很多光现象，都给出了圆满的解释。但光波动理论，有一个重大缺陷：如果光是波，那末，光波到底是由什么东西的振动产生的呢?
图9 不同颜色的光具有不同的波长。
光的传播媒介和偏振
由于光能穿过真空，这使我们很难理解为什么光是波。如果你问老师： 什么是真空?他会回答：真空就是没有任何东西。假如真空真是什么都没有，那么真空中的光怎么可能是波呢?反之，将光看为粒子会较容易理解。因为粒子是一些我们放在真空里的东西。因此，当粒子穿过真空，确实有一些东西出现，这就是光了。
可是，实验却告诉我们，光并不是粒子，而是波。假如你真的相信实验，真的相信光是波，这就意谓着真空不是什么都没有。因为波必须要由媒介来承载，波是媒介的振动。所以将真空想象为海洋会比较恰当，而我们就好像海洋里的鱼。由于我们生活在海洋里面，我们就自然不会感到水的存在。若果用这个海洋图像，就会容易明白光的波性。海洋里的水的振动会产生波，这就是光波了(见图10)。至于海洋里的气泡、鱼和其他的东西那就是物质。这种可以承载光波的媒介，我们称之为以太(ether)。引入以太这种媒介之后，我们得到一个理解光波很好的图像，一个完美的理论。
图10 海洋里的光波图像。
但是，光的故事并不如此简单。光波是一种有特殊内部结构的波。它其实并不能被看成是液体中的波。我们是如何发现光波的内部结构呢?有种特别的晶体，它们会有一种现象称为 “双折射" 。当你将晶体放在报纸上，你可以看见上面的字有双像的效果(见图11)。人们对于这种现象一度感到非常疑惑，百思不得其解。其实，在人们肯定光是波之前，牛顿曾试图用粒子理论来理解双折射现象。他假设有两种光粒子，所以它们有不同的折射。
图11 光的双折射或双像现象
我们也可以利用两种波来解释双折射现象。光不只是波，它还是很特别的波。由于波是一种振动，那么波的不同振动方向就代表不同的波。如图12所示，向右传播光有两种振动：上下振动和前后振动，人们对这 “两种不同的振动 ”或 “两种不同方向的振动”，以一个科学名词 -- 偏振来指称。双折射晶体对这两种偏振有不同的影响，导致其不同的速度。由于这两种偏振有不同的速度，它们的折射弯曲的程度亦不同。因此，双折射或双像揭示了光的另一种秘密：光不只是波，而是带有偏振的波。我们说有两种光，即有两种偏振方向的光。
图12 光波中的两种振动方向：垂直振动和水平振动。
此外，偏振也可以透过偏振分光镜来检测。天然的光包含两种方向的偏振。偏振分光镜只准许某一偏振的光穿过而阻挡其他方向的偏振的光。如图13所示，当带有随机偏振的天然光通过偏振分光镜，所通过的光线，只会在某一方向振动。如果你加第二块偏振分光镜并将其旋转90度，所有的光就会完全被阻挡。由于振动方向垂直于传播方向，因此，这种偏振就称为横向偏振。这种波就称为横波。LCD屏幕所发出的光也是偏振的。你透过偏振片来看LCD屏幕就能发现这一点。其实LCD正是利用光的偏振性质来调控明暗显示图像。
图13 利用偏振分光镜检测光的偏振性质的实验示意图。
图14 在液体里，粒子是随机分布的。
液体压缩形变产生纵波 液体剪切形变无法产生横波
图15 液体只能承载纵波，不能承载横波
这种对光波有两种横向偏振的认识导致出如下一个结论。先前我们假设真空是可以承载光波的以太，而且想象以太就像海水一样。但现在我们发现以太不可能是液体。这是因为在液体里，粒子是随机分布的(见图15)。在液体里的波，是由压缩和解压缩引起。当你挤压它，它会具有较高密度;但当你解压它，它会有较低密度，这就产生了波。当你挤压或解压时，液体中粒子的振动的方向是与传播方向一样。这种偏振叫纵向偏振，其对应的波叫纵波。要产生横波，我们须对媒介进行剪切变形。但这很难在液体里实行。因为液体中的粒子是随机分布，当你剪切变形随机分布的粒子，粒子仍然是随机分布，没有任何改变。所以，在液体里进行剪切变形，将不会引发任何变化。所以，液体只有纵波，没有横波(见图15)。
这也是为什么液体没有形状的原因。因此，以太不可能是液体。把以太比喻为液体的海洋是不准确的。
固体剪切形变产生横波 固体压缩形变产生纵波
图16 固体能承载纵波和横波
既然排除了以太是液体的说法，那么认为以太是固体 (solid) 会不会行得通呢?在固体里，粒子排列成有规律的列阵。当你剪切变形粒子列阵，你便会得到不同的形态。这就导致了在固体中，有一种波拥有与传播方向垂直的振动，就是前面提及的横波。这也是为什么固体有形状的原因。所以，以太有可能是固体。但是从另一角度看，固体是可以挤压或解压的。固体不但有横波，还有纵波(见图16)。可是，光波只有两种横模，并没有纵模。因此，以太是固体的说法也不能成立。
只有两种横模，而没有纵模，光波不是普通的波。它是非常特别的波。由于这些特别的性质，只有纵波的液体和同时拥有纵波和横波的固体，都不能成为可以承载光波的媒介。这使我们陷入迷惘：我们知道光是波，但究竟什么媒介里的波才是光波呢?它不是液体里的波，也不是固体里的波。我们被困住了!其实几十年中，人们还尝试推测了很多其他的东西，但没有一样物质可以支撑这种带有两种横向偏振的光波。所以，我们完全被困住了，彷佛完全无能为力了!很多人都放弃了以太的构思，恐怕是因为不知道什么媒介能承载光波，故而认为这种媒介是不存在。但亦有人锲而不舍，坚持发问，最后终于发现可以承载只有两种横模的光波的媒介。在科学界里，这是屡见不鲜的事，然而转折点往往来自一些意想不到的地方。山重水复疑无路，柳暗花明又一村。光的故事亦不例外。
光是一种电磁波
要发现可以承载只有两种横摸的光波的媒介，我们要对光的内部结构有更深入的了解。这段新的故事，始于一个意想不到的地方。在知道光是波之前很多年，人们已发现了一些具有磁性特质的物质，它们能指向北方，这就是指南针(见图17左图)。人们可以定量地研究这些磁性物质，人们发现，一个磁石会作用另一磁石上。所以，磁性物质会互相作用 。在图17右图中， 可通过微小磁性物质是如何分布在磁石周围，来清楚看到这种作用。假如你将一些铁粉溅散在磁石的周围，你便会得到这些线。然而，如何理解磁性物质间的相互作用呢?虽然磁石之间没有任何东西，但它们仍然互相作用，像有一种神秘的超距力量，这使科学家们感到十分好奇。有些人如法拉第，他不相信会有超距作用，他认为对象必须触碰才能互相作用。但明显地，那两块磁石并没有触碰。所以，法拉第便认为磁石的周围，可能有一些力的场，这些力场触碰另一块磁石。虽然我们看不见力场 ，但它是存在的。透过接触磁石的力场，磁石之间便会互相作用(见图18)。
图17 左图为司南—指南针;右图为磁铁及其周围的铁粉。
图18 两个磁石之间的相互作用。
图19 法拉第提出用“力场”的概念来解释超距现象。
其实，力场的构思并不是什么新想法。很多人相信，一些有魔力的人就会拥有这种“场”或“光环”(见图19)。在科学界里，磁石亦是一种有魔力和力场的物质，这种力场被称为磁场。根据上文的描述，两块磁石之所以能互相作用，是由于磁石周围的磁场接触另一块磁石。
另一种现象，亦是在很久之前便为人类所发现，就是电。例如：夏季暴风雨所带来的闪光，这些光是由电造成。当人们认识到用布摩擦琥珀可以产生电时，我们可以对电做更加定量化的实验和认识。这让人类进入一个崭新世界。在拉丁文里，“electricus”意思就是 “透过摩擦琥珀来产生 ”。
当一支琥珀棒经过摩擦后，它便会带电荷。和磁石类似，一支带电的琥珀棒可以和另一支带电的琥珀棒互相作用。电荷也可以不用透过接触来互相作用。这种电荷的超距互相作用，表明电荷也会产生力场，这种电荷产生的力场被称为电场。一个电荷产生的电场会与另一个电荷接触而互相作用。
最初，电和磁被视为两种分开独立的现象。后来，当人们将它们仔细研究后发现，这两种现象是彼此互动相关。人们发现，当有电流通过电线时，流动的电荷可以在电线周围产生磁场。既然流动的电荷可以产生磁场，那么移动的磁石呢?答案是：移动的磁石可以产生电流。我们可以用一条电线、一块磁石和安倍计作实验。安倍计是用来量度有多少电流通过电线。如图20所示，假如你将磁石移动并通过电线，电流便会产生。移动的电荷产生磁场，而移动的磁石会导致电流。
图20 电和磁彼此互动相生的实验示意图。
物理学家麦克斯韦 (Maxwell，见图21) 为上述的实验现象作出了总结。事实上，我们必须在最基本的层面上，理解这种现象的核心。我们知道移动的电荷会改变电场，而移动电荷所产生的磁场实际上是由变化的电场产生的。类似的，移动的磁石会改变磁场，变化的磁场会产生电场。移动磁石导致的电流，是由变化的磁场而导致的电场所产生。要明白变化的磁场会产生电场，我们要考虑当磁石移向金属环时的情况。我们在图20的右图中可以看到，环中心位置的磁场增加，环中心增加的磁场，会产生环绕着环的电场。这环绕着的电场，迫使电线里的电子流动，产生了电流。这就解释了为何移动的磁石可以产生电流。
图21 物理学家 ── 麦克斯韦的画像。
电生磁，磁生电，彼此成双成对。这实在是非常有趣的事情。电场引致磁场和磁场引致电场这种现象会引伸出非常重要的结果，即预言了波的存在。如何理解这种被称为“电场和磁场的波”呢?就让我们想象这里有一个正电荷和一个负电荷。我们知道当一个正电荷在另一个负电荷之上时，它们相互抵消而不产生电场。当我们将两种电荷分开时，电场E会围绕着电荷(见图22)，故电场增加。根据麦克斯韦定律，变化的电场E会导致环绕电场的磁场 B。由于这磁场正在改变或增加，其继而导致环绕磁场的电场，如此类推 (见图23)。因此，电生磁，磁生电，我们看到传播的电场和磁场，这就是电磁波了。其实，实验物理学家早已经对电场引致磁场或磁场引致电场作出了很多定量的实验。麦克斯韦建立了方程式来描写这些实验结果。麦克斯韦用他的方程可以计算出电磁波的速度。他发现，电磁波和光波拥有同样的速度。他因而下了一个结论：光波就是电磁波。这个结论一度使人困扰，因为当时的量度有颇大的误差，两者速度并不完全一样。虽然是这样，麦克斯韦仍然相信两个速度是一样。后来更精确的测量表明，电磁波和光波拥有同样的速度。麦克斯韦是正确的，光波确实是电磁波。
图22 两个正和负电荷周围的电场分布。
图23 变化电场产生变化的磁场，形成电磁波的示意图。
我们没想到能透过学习电和磁会对光波内部结构有了更深入的理解。这种理解在科学发展上十分重要，代表了电、磁和光现象的统一。物理学家们对这一大统一的结果十分满意。虽然电、磁和光好像是三种如此不同的现象，但它们只是同一事物的不同侧面，让我们眼界大开。光的电磁理论可以解释光的偏振。如图23所示，光在水平方向传播，但电场的方向却是垂直。故此，电场代表的振动方向是垂直于传播方向。所以，电磁波是横波，其两种偏振都是横向的。
光的电磁理论使我们对光有了十分深入、全面和详细的理解。但我们的问题依然没有完全解决，我们仍然不知道什么东西的振动能够产生光波。在这里要更具体地指出：电场和磁场描绘的只是光波的振辐 。强的电场对应强的光和强的振动。但我们并不知道什么东西的振动对应于电场?对于一些曾修读过电磁学的人，也许有过跟我一样的经历。当我第一次看见麦克斯韦方程组，我会自然地问什么东西的振动对应于电场，脑子里充满了问号。经过老师反复教导，课本反复论述，我开始接受，电场就是电场，磁场就是磁场。慢慢地，我不再发问，忘记了一开始的问题。然而，发问的精神是非常重要，尽管很多人认为这是一个愚蠢的问题，但愚蠢的问题往往是开启睿智心灵的钥匙。
光是弦网液体中的波
什么东西的振动对应于电场和磁场?什么东西的振动对应于光波?总结一下我们面临的困境和问题：液体行不通，因为它只有纵波;固体也行不通，因为它同时有纵波和横波。我们不知道什么媒介中只有两种横波、什么媒体的振动对应于电场和磁场?
这里我想强调一个关键的要点：为何液体和固体里有不同波。这是由于液体里的粒子和固体里的粒子有不同的组织。不同的组织造成不同种类的波，这就被称为演生原理。在凝聚态物理里，演生是一个非常重要的概念。演生原理强调，粒子的组织是重点。要了解不同物质的性质，我们首先需要了解物质里的粒子是如何组织的。液体和固体是很好的例子，可以用来说明这一演生原理。
在液体里，粒子是随机分布，所以它们是随机组织的。当粒子随机组织时，只有挤压能改变组织的构型，剪切变形不能对粒子分布起任何作用。因此，随机组织只有纵波，而没有横波。这也解释了为甚麽液体没有形状。在固体里，粒子排列成有规律的列阵，是一个不同的组织。不同的组织会导致不同的波。挤压变形和剪切变形都能改变组织的构型(即粒子的排列)。所以，固体里又有纵波，又有横波。这也解释了为甚麽固体有形状。所以演生原理解释了，为什么液体没形状而固体有形状，这一大家都知道的常识。
从这个演生原理的角度来看，我们可以更准确地提出问题，切中要点。我们应该问：什么样的粒子组织可以产生拥有两个横模的波呢?假如粒子随机分布，便会成为液体，这是行不通的;假如粒子排列成有规律的列阵，便会成为晶体，也是行不通的。什么样的组织才行得通?事实上，这条问题困扰了我们一百多年。直至近年，我们才找到了答案。我们发现了一种粒子的组织，它可以产生只拥有两个横模的波。
在这个媒介里，粒子首先排列成弦，就像塑料里的原子一样。这些弦充满了整个空间而形成弦网(见图24左图)。但这并不是全部!弦网随机地、波动地涨落着，与液体相似，有一个随机分布。实际上，我们也可以说粒子的位置在液体中是随机地、波动地涨落着。因此，波动和随机涨落的弦网被称为弦网液体 (string liquid)。我们想了解，弦网液体里的波会是怎样的呢?
弦网液体 弦密度波
图24 弦网液体及其所形成的弦密度波。
在粒子随机分布的液体里，波动只能是粒子密度波，其对应于一个纵波。同样地，在弦网随机分布的弦网液体里，波动也是密度波 -- 弦密度波。在弦网液体里，有些地方会有较多的弦，但有些地方会有较少的弦，这就是弦密度波(见图24右图)。不同于粒子，弦是有方向性的。所以弦密度是由一个矢量来描写的。弦的方向就是矢量的方向。我们注意到，由于弦是连续的，弦密度的变化方向总是垂直于弦的方向。因为弦密度波的运动方向就是弦密度的变化方向，所以弦的方向(即弦密度矢量的方向)总是垂直于弦密度波的运动方向。这表示弦密度波是一个横波。而且，只有横波，没有纵波。
我们终于找到了以太。根据定义，以太是一种可以承载着有两种横向偏振波的媒介。弦网液体就是这样的媒介，它就是以太。而弦网液体中的弦密度波就是光波(电磁波)。其实，弦密度矢量对应于电场：越多弦的地方，代表电场越强，弦的方向就是电场的方向。弦网液体解释了光、电、磁的起源。
你也许会问：光的起源一定是弦网液体吗?数学上我们可以推导出弦网液体里的波就是电磁波。但是，其它媒介也有可能产生电磁波，弦网也许不是唯一的答案。我们的真空也许不是弦网液体。但是，进一步的研究表明，弦网液体不仅能解释光的起源，还能解释电子和其他基本粒子的起源。这说明我们的真空也许真是弦网液体。
什么是电子?电子就是电荷。在弦网的图象中，电荷就是弦的末端。在图25中， 有两个电荷。你可以数数看这两点是25条弦的末端，这两个粒子各带25个单位的电荷。由于电荷是弦的末端，电荷的量子化也因此能被解释。
在正电荷和负电荷之间，有很多弦网连接这两个电荷。在有很多弦网的区域里，有强的电场。另一个区间里只有较少的弦网，所以只有弱的电场。假如你学过电磁学或电学便会知道，这不过是两个电荷的电场!所以，这幅弦网的图画(图25)，确实反映了两个电荷周围的电场。
图25 电荷就是弦的末端。
前文提及，根据麦克斯韦的观点，正电荷和负电荷分开合并震动时，可以产生电磁波。我们可以透过弦网图像来理解这一现象。假设有两个电荷，我们可以分开或合并它们。当你把它们分开时，就会产生很多弦网。当你把它们合并起来，弦网没有足够的时间返回变为零。有些弦网缀落后，它们便会形成封闭的圈，朝着远离的方向传播。这就是电磁辐射的弦网图像(见图26)。这幅图像反映了另一种的统一，即光与电子的统一。标准的教科书不会将光和电子放在一起讨论。但弦网液体的图像就不同了，光与电子其实是一样东西的两方面。中心对象是弦，光是弦的运动，而电子便是弦的末端。光与电子的弦网图像，不仅可以解释光的横向偏振性以及电子的电荷，它甚至可以解释电子的费米统计性质。弦网液体不仅统一了光与电子，也统一了电磁相互作用与费米统计!
图26 电磁辐射的弦网图画。
我们讨论了液体、晶体和弦网液体这三种粒子的组织。我们也可以将这三种形态看作为三个不同的宇宙。试想像可能在某个其它的宇宙里，真空就是像海洋的液体。在这个宇宙里，“光”被看作为液体里密度的波。如果在那儿做实验，我们将不会看到双折射，因为“光”在这里只有一个纵模。但假如在另一个宇宙里，真空是晶体。在这个宇宙里，“光”会有三种偏振(一个纵模两个横模)，所以应该会发生三折射现象。回到我们的宇宙里，光只有两种偏振，所以我们只有双折射。我们观测到的双折射说明，我们的真空不是液体，也不是晶体，而是“一碗汤面”--弦网液体。我们是活在一碗汤面里。
结束语
在凝聚态物理学中，我们对液体和晶体这两种由粒子形成的组织结构已经十分熟悉。有很多材料可实现这这两种组织结构。如液态组织可通过液氦来实现，晶态组织可通过晶体硅来实现。但在现时的凝聚态物理学研究中，我们遇到一个重大的挑战是寻找一种可以实现弦网液体的材料。但可惜，我们至今还未发现这种物质。如果你能找到这种材料，将会是很有趣的事情，因为这种材料将与我们的真空极相似。当你手里拿着这种材料，你就“掌握”了一个模型小宇宙。
弦网液体给予了我们一个不同的视角来重新看世界。在弦网图景中，真空就是弦网液体, 弦的密度波就是光波、弦的末端就是电子和夸克。电子和夸克可以形成原子，而原子可组合成各式各样的东西，如玻璃、细胞和地球，或者是一些会思考光和电子的起源问题的智慧生物。上帝说：让光出现，我们有了光明。物理学家说：让弦网液体出现，我们有了光和物质。可以说，演生原理及其对光和电子的统一，开拓了科学的疆界和人类探索的视野，让我们可以不断地站在新的科学前沿，尝试揭开宇宙的奥秘。
附录
物理学家谈吃
中国人以食为天， 见面就谈吃。连中国物理学家也不例外。(以下从微薄对话整理.)
兔斯基： 二傻师傅说过：【宇宙本来就是一锅粥】！ 怎么，你要把这锅粥变成一锅面条？
有啊： 粥里的波满足欧拉方程。面条汤里的波满足麦克斯维方程。我们真空里的波（光波）满足麦克斯维方程。所以宇宙是一锅面条汤，不是一锅粥。[1]
兔斯基： 到底是粥是面条还是面条汤嘛？！
有啊： 不好意思。应是“面条”，不是“汤”。是“面条里的波满足麦克斯维方程”。注意：是干面，不是汤面。
兔斯基： 记得《物理》上用的是“汤面”。
有啊： 真仔细。 说“汤面”时，很多人注意“汤”不注意“面”。 “干面”更准确。
绿豆蛙： 赤果果的热干面 论如何通过热干面认识宇宙。
兔斯基： 那膜世界就应是一锅凉皮？！
有啊： 我还真考虑过“凉皮+面条”，希望同时得到满足麦克斯韦方程的光波与满足爱因斯坦方程的引力波。没成功。看来宇宙不是凉皮面条。但宇宙里一定有面条。
绿豆蛙： 这面条，凉皮，怎么看怎么像民科。
有啊： 面条凉皮不是民科，是量子系统。 面条凉皮的希尔博特空间和哈密顿量都已给出。用哈密顿量，我们可以计算面条凉皮里的波。我们发现面条里的波满足麦克斯维方程，而凉皮里的波不满足爱因斯坦方程。
兔斯基： 2013年，高能物理实验发现了希格斯粒子, 证实了我们生活在超流体中， 大锅里有粥是肯定了。 至于锅里是否有面条凉皮， 要设计判定性实验并说服实验家。
有啊： 同样的逻辑，我们老祖先，在25万年前的生活中，发现了光，证实了我们生活在面条中， 大锅里有面是肯定了。 还有，1897年，约瑟夫·汤姆逊 发现电子，也就是面条的端点。进一步证实了我们生活在面条中， 大锅里有面是非常肯定了。另外，希格斯粒子有质量，而超流体里的波无质量。发现希格斯粒子, 不能证实我们生活在超流体中。大锅里有粥没粥还说不定。
baby猫： 我们南方人认为，宇宙原本是一锅大米粥。不知道什么缘故，里面的颗粒连成了长长的线状，就变成过桥米线了。
有啊： 很有意思的想法。 可以通过宇宙观测，检验此想法的正确性。我得算算大米粥变成过桥米线的量子相变，及其可观测的预言。
注释
一锅粥 = superfliud (particle condense)
一锅面条 = string-net liquid (string-net condense)
(本文是根据2006年1月作者在香港科技大学所做的公众演讲整理形成。早期一个版本在《物理》杂志上发表过。)
参考文献
[1] Quantum order from string-net condensations and origin of light and massless fermions; Xiao-Gang Wen Phys. Rev. D68, 024501 (2003).
[2] Photons and electrons as emergent phenomena; Michael Levin and Xiao-Gang Wen Rev. Mod. Phys. 77, 871–879 (2005).
篇二:[文小刚]文小刚：物 理 学 新 的 革 命
按：文小刚，凝聚态物理领域的当代著名理论物理学家，现任美国麻省理工学院（MIT）终身教授、格林讲席教授，美国物理学会会士，加拿大滑铁卢前沿理论物理研究所(PI)牛顿讲席教授。
文小刚于1982年毕业于中国科学技术大学低温物理专业。他对更宽广的凝聚态物理感兴趣，赴此领域的权威安德森教授所在的普林斯顿大学求学。但由于普林斯顿大学一批年轻教授在高能物理领域的活跃主导地位，让文小刚在博士期间研究起了高能物理，师从当今物理学界大名鼎鼎的爱德华·威滕。在博士后期间，文小刚重返凝聚态物理学研究领域。
文小刚拥有十分清晰的物理图像。他对量子多体系统有非常好的洞察力，把凝聚态物理语言由狭义物态推广到宇宙普适，独立开创并发展了量子物态的拓扑序/量子序理论，和基本粒子的弦网凝聚理论。他的系列工作开辟了拓扑物态(topological state)、对称保护物态(symmetry protected state)、长程量子纠缠(long range entanglement)等物理新领域，进而提出了“信息就是物质”这一新的世界观，是当代理论物理了不起的启示录。近日，《赛先生》在北京专访文小刚教授，他畅谈了当代物理学研究的重大问题和他探索解决这些基本问题的理论范式的研究道路。
物 理 学 新 的 革 命
《赛先生》记者 潘颖
？：当代物理学最伟大的未决问题有哪些?
文：就物理学的基础问题而言，人类一直追求万物起源这一问题，希望了解万物是从哪儿来的，基本规律是什么。直到今天，这个问题都还是物理学家们的最大梦想。也许有人会说，这个问题不是已经解决了吗？我们有基本粒子标准模型，有牛顿万有引力理论，还有爱因斯坦广义相对论，这些已经把我们的世界解释得清清楚楚，很让人满意了。然而，实际上不是这样的。
在标准模型提出40年后的今天，没有一个物理学家认为标准模型是基本理论，大家都认为它只是一个近似的有效理论。基本粒子的起源到底是什么，不知道，这就是问题。爱因斯坦的广义相对论也是一个近似的有效理论。为什么呢？因为爱因斯坦的广义相对论是一个经典理论，和量子力学格格不入，虽然它很漂亮，但它只是一个漂亮的经典近似，它是从什么样的量子的结构中出来的？也不知道。所以，有没有更基本的、更漂亮的量子结构能把广义相对论、引力和基本粒子都搞出来，我觉得这还是基本物理学最大的未决问题。
我做凝聚态物理，为什么要谈这个高能物理的问题？因为在我看来，这个物理学最大梦想的答案可能就在凝聚态物理里面。虽然我们一直想弄清楚基本粒子、时空、引力的真正起源，但长期以来，进展甚微。在山穷水尽时，出路往往在意想不到的方向。1989年以来，我们在凝聚态物理的研究中，发现了新型物质态--拓扑物态。后来我们意识到，拓扑物态起源于复杂体系里的量子纠缠。表面看来，拓扑物态量子纠缠和基本粒子的起源毫无关系，但我现在认为它们是联系在一起的。也就是说，复杂体系里的量子纠缠是基本粒子、时空、引力的起源。这种解决问题的思路和以前很不一样。
以前的思路是，寻找一个东西的起源，都是通过把它分解，来得到其组成和基本构件，分得越小就越基本。如果考虑量子纠缠，解决问题的思路就变了。我们认为万物（基本粒子及空间）源于量子比特：空间是量子比特的“海洋”，基本粒子是量子比特的波动涡旋，基本粒子的性质和规律则起源于量子比特海中量子比特的组织结构（即量子比特的序）。新思路下，结构是更重要的。考虑结构会使我们对自然界的基本性质有更深刻的理解，这跟老思路考虑物质的构件很不同。二者的区别就好比，观察一根绳子时，是看它由什么分子构成的，还是看这根绳子的扭结结构是什么。老思路看重基本构件是还原论，而新思路看重组织结构（序）是演生论。所以说，问题还是老问题。最近凝聚态物理带来的一些新思维方式和新思想，也许会使老问题得到解决。
？：你为什么说“物理学处在大变革的前夜，可能会迎来一个黄金时代”？
文：我说物理学新的革命是指对复杂体系的量子纠缠的研究。
回顾历史，我觉得物理学经历了四次革命。第一次物理学革命是牛顿力学。牛顿说星星在天上跑，苹果往地上掉，这两个现象是由同一个机制引起的，就是“万有引力”引起的。他由此统一了天体运动和地面上物体运动的规律。描写这个理论的数学就是微积分，而微积分是牛顿发明的。一般来说，一个物理理论都要有个数学来描写，我们希望当提出一个新的物理学思想的时候，它需要的数学已经有了，如果没有的话就惨了，新的理论连写都无法写出来。牛顿正好就是遇到了这个情况，当时他发明他的理论的时候还没有微积分，所以理论写不出来，他必须发明微积分才把理论写了出来。这是最高级的发现和创新。第二次物理革命是麦克斯韦对电、磁和光的统一。他先统一了电和磁，发明了麦克斯韦方程。他发现麦克斯韦方程的波动解--电磁波的波速，和当时测的光速差不多。虽然还差了5%，麦克斯韦大胆提出电磁波就是光，把电、磁和光都统一了。第三次革命是爱因斯坦的广义相对论。他把时间空间的弯曲和引力作用统一了。广义相对论用的数学是黎曼几何。那时候黎曼几何已在前几十年就发明出来了，所以爱因斯坦不需要自己发明新数学了，把黎曼几何搬过来用就行了。第四次物理革命应该是量子力学。量子力学是非常非常深刻的革命，应该是最大的物理革命，但它不是一个人搞出来的，是一大群人的共同成果。所用的数学是线性代数，把微积分给扔掉了，由分析变成代数了。我们的世界不是由分析来描写的，而是由代数来描写的。这一世界观的变化非常重要。
那么，我们现在对复杂体系的量子纠缠的研究（即对拓扑物态的研究），可以说是第二次量子革命。这一研究想要解决很多基本问题：它首先要统一所有基本粒子，把光和电子统一，也要把引力和空间统一进来。就是想统一这些很不同的现象。比如说要统一光子和电子，这好像很困难，因为光子和电子，一个是玻色子，一个是费米子，差太远了。但我们最近就发现，这好像是可能的。因为，量子比特海中的量子比特会有一种叫“长程量子纠缠”的现象，这量子比特海中的波可以是光波，量子比特海中的“涡旋”可以是电子。这说明光子和电子是可以被统一描写的。但我们面临的局面，跟牛顿当时面临的情况一样，长程量子纠缠是个新现象，没有现成可用的数学方法，可能需要我们发明新的数学。从这个意义上讲，跟前几次物理革命相比起来，现在对复杂体系的量子纠缠的研究，有点“革命”的意味了。第一，我们要统一的各种现象，非常基本的现象，像电子、光子、引力，各种各样的相互作用，都要以同一个框架来理解它。第二，我们要研究探索新的物质态--拓扑物态。拓扑物态有可能成为量子计算的理想媒介。这些都源于一个基本物理现象--长程量子纠缠。
但我们发现长程量子纠缠可以非常复杂和丰富。它也非常新，新到我们现有的数学都无法描写它，可能需要发展新数学。现在很多数学家也在做这个工作。由于这些原因，我认为，我们现在遇到了物理学的一个新的大发展的机遇，这就是量子纠缠。
长程量子纠缠是凝聚态物理里的新的物质态起源。它又可能是基本粒子的起源。这是因为我们可以把真空本身看作一种物质态，一种很特殊的、高度纠缠的物质态。此外，它还和量子计算机有关，因为长程量子纠缠可作为量子计算的理想媒介。最后，它又跟现代数学有关，因为量子纠缠需要新的数学。当物理学需要某种新数学时，这一数学就会蓬勃发展起来。综合考虑下来，我觉得第二次“量子革命”已经来临。这是一个非常激动人心的事情。
？：你认为量子纠缠会是以后引发研究高潮的问题？
文：对。但这是我个人的想法。在粒子物理领域里，大家可能不这么看。但是在凝聚态物理里，大家已经这么认为了。凝聚态物理中提出的长程量子纠缠，及其导致的量子拓扑物态，是现在凝聚态物理研究的一个中心，一个高潮，非常非常活跃。
长程量子纠缠能不能统一四种相互作用？能不能更进一步统一光和电子？能不能统一所有基本粒子？我认为是可能的。我很熟悉量子纠缠，明确地感觉到，也深深地相信，长程量子纠缠能统一所有基本粒子。但量子纠缠太新了，一般只有学量子信息和凝聚态物理的人比较熟悉，一般学物理的人都不熟悉量子纠缠，所以他们自然而然也不从这个角度想问题，不一定认同这种观点，或者说他们还没能看出来量子纠缠和基本粒子的统一有什么联系。这要以后再慢慢看，看这种观念能否传播到高能物理的基本粒子理论里头去，这可能需要一些时间。
？：长程量子纠缠所需要的数学工具是已经有了，还是需要新发明新发现？
文：长程量子纠缠需要的新数学没有现成的，现在正处在被数学家发现、发掘阶段。举个例子来说什么是“新数学”？我以前看过一本科普书，其中有一段大意是说：有一个比较原始的部落，它们的语言中描述数字的只有三个词：一、二、三，再往下就没名字了，统一叫“好多好多”。如果用这种语言来表达算术的话会非常非常困难，因为三以上的数连个名字都没有。我们现在遇到的困难就是这种情况。长程量子纠缠是一个现实存在的现象，但大家以前没有意识到有这种现象，自然而然也没有描摹它的语言，也没有名词，也没有数学，什么都没有。我们最近的研究发现，长程量子纠缠不仅存在，它还有很复杂的结构，而我们没有语言能描述这些不同的结构。所以我们要发明新语言，科学的语言就是数学。也许，这个数学目前还在发展中，不像爱因斯坦用的黎曼几何，在他需要时的几十年前就有了。
长程量子纠缠需要的新数学，在数学里也重要。“科学突破奖”今年是第一次颁发给数学家。一共5名获奖人，每人三百万美元奖金。其中一人是雅各·劳瑞，他得奖的工作叫higher category theory（大约可译作“高维范畴理论”），或者叫做n-category
theory（“n维范畴理论”）。这可能跟我们想要的数学有关。
但是这一数学，连大部分数学家都不做，是数学里的一个很高深的小分支。我最近的很多工作都是在试图把这个高维范畴理论从数学引入到物理里去。早期的时候，群论也是数学里的高深东西，但在七八十年前，为了研究对称性，群论被从数学引到物理里去了。现在我们遇到类似的问题，为了研究复杂系统的量子纠缠，需要把高维范畴理论从数学引入到物理里去。一个简单系统的量子纠缠倒是用不到那么高深的数学，而复杂系统（又叫“多体系统”），由于很多很多东西可以纠缠在一起，它才有长程量子纠缠现象。这种长程纠缠变得非常复杂，就要靠这个新的数学理论来阐明。
从某种意义上讲，现在的情况跟前四次物理学革命挺像。需要新数学是新的物理革命的征兆。我觉得我们处在一个很幸运的时期。据说前苏联的著名物理学家朗道当年总说自己不幸运，因为朗道开展主要工作的时候都是上世纪四十、五十年代了，那时候量子力学框架已经基本奠定了，等他进入科学研究高峰期的时候，量子力学革命的高潮已经渐渐平展了。如果朗道赶上了量子力学的爆发期，他肯定会是一个能做更大贡献的人。相比之下，现在的人应该觉得很幸运，当然不见得每个做物理的人都这么认为，但我是这样看的，现在有很多新的东西等待着被发现。
有意思的是，现在学物理的人基本都受过标准训练，被训练过的物理学家面对长程量子纠缠，会觉得很不舒服。人们一般喜欢做能被标准训练所涵盖的东西，新东西跟他以前学的东西离得比较远，比如能带理论涵盖的自由电子系统。像我说的高维范畴学、长程纠缠什么的，都是物理学家不怎么被训练的内容，所以物理学家做这种工作往往觉得很难受。当然，不见得很多人认同我的观点，他们可能会想，你怎么知道量子纠缠就是未来基础物理学的发展方向呢，你怎么就这么兴奋，而我怎么就兴奋不起来呢？
每个人都有自己的判断，根据各自的背景都有所思考。有人兴奋，有人不兴奋，这很正常。我觉得我看到了有价值的东西，就会兴奋，就希望跟大家分享。也许有人跟我口味一样，同样欣赏这些工作。科研就是这样，创新就是作自己最欣赏的东西，不管有没有别人在作。大家把自己觉得最欣赏的拿出来，如果有越来越多的人去欣赏你的工作，慢慢地就会成为主流。我的拓扑物态理论，等了十年，才被欣赏接受。当然，一直得不到欣赏的东西，一般来说可能就被淘汰了，这基本也是正常现象。
中国要搞创新，就要敢于作自己最欣赏的东西。科学训练最重要的内涵，不是学学公式，而是学习对科学工作的品味和感觉。这样你欣赏的东西，别人也欣赏，才能成大气候。中国教育要朝这方向努力。
？：弦网凝聚理论是你近年来的一项重要的开创性工作，目前都解决了哪些问题？
文：弦网凝聚与一个问题密切相关，就是“为什么有量子纠缠，这能够跟基本粒子的统一和起源有关系”。弦网凝聚就是把我刚刚讲的那些更具体化一些。
实际上，弦网凝聚的中心不是弦网，而是量子比特，而且这个理论的深层内涵是，信息和物质的统一，也就是说信息和物质是一回事。这听起来可能难以理解，因为人们往往说，信息都需要有个物质载体，都是物质携带着信息，所以信息是物质的性质，而不是物质本身。
但是，要追问物质起源，归根结底就追到信息上去了。这是因为：如果说物质是信息的载体的话，就意味着信息仅仅是物质的部分性质，这个物质还有其他性质。换句话说，物质的有些性质是你要的信息，另外还有些是你不用的性质。物质中相对于你要的信息所多余的那些性质，其本质也是信息。这么追究下去，物质本身就是带信息的信息。如此看来，说物质可以完全等同于信息本身，也不奇怪。这看上去有点哲学意味了。
信息的基本单元是比特，其有0和1这两种状态。我们研究量子纠缠，比特就是量子比特。关于基本粒子起源的弦网凝聚理论，其基本出发点是，我们认为真空是量子比特的海洋，也就是0和1的海洋。这个基本观念是一种“以太”学说。真空（或空间）是富有动态的量子比特海，0和1可以互相变，0变到1，1变到0。从这一观点出发，万物就都浮现出来了。比如光波，就是这个海洋里的0和1的一种波，而电子、夸克的起源也能搞出来。
但要同时搞出光和电子、夸克，就需要长程量子纠缠。纠缠有很多很多种形式，0和1的海洋可以有很多不同形式的纠缠。不同的纠缠会给出不同的世界，我们的世界只对应其中一种纠缠，不是随便一个海洋都能给出我们的世界。
在我们的世界里，光波满足麦克斯韦方程，电子满足狄拉克方程，是个很特殊的世界。如果量子比特海中的0和1只有短程纠缠，那么比特海中的波，不会满足麦克斯韦方程。所以比特海中的0和1，要有一个很特殊的长程纠缠才能给出麦克斯韦方程和狄拉克方程。这就是为什么150年来，以太学说一直不成功，一直得不到满足麦克斯韦方程的波：因为150年来，我们一直没有考虑有长程纠缠的以太，我们甚至想都没想到还有长程纠缠这个东西。在凝聚态物理的研究中，我们发现了拓扑物态，发现了拓扑物态的本质就是长程纠缠。这就是我们为什么说，凝聚态物理拓扑物态，给基本粒子的起源，提供了突破口。
实际上很早以前，美国物理学家约翰·惠勒就提出信息就是物质。这一想法称为“It from bit”。在英文里，it就是物质，bit（比特）表示信息，意思就是物质从信息中来，这是很有名的一个观念。但和早期的以太学说一样，约翰·惠勒的“It from bit”也不成功，因为它没有考虑有长程纠缠。用物理的行话来说，比特（bit）是玻色性的，电子（it）是费米性的。长期以来，大家都不知道怎么把一个费米性的东西从玻色性的东西中搞出来，因为玻色性的东西跟玻色性的东西放在一起的话还是玻色性的东西，你怎么把玻色性的东西绑在一起，都出不来费米性的东西。所以，虽然“It from bit”这个观念非常好，富有哲学性，但物理上一直做不通。我们的世界太奇特了，光子满足麦克斯韦方程，电子满足狄拉克方程，电子还有费米特性，所以从bit出发，我们搞不出这东西来，想法是很好，但是不成功。
和早期的以太学说一样，“It from bit”也没有考虑长程纠缠。如果比特只有短程纠缠的话，那满足麦克斯韦方程的光子、费米性的电子,一个都出不来。 但如果比特有一种特殊构型的长程纠缠，那就什么全都有了。这就是最近十几、二十年的工作。这到底是个什么样的长程纠缠？“弦网”就是一种用通俗语言对这种长程纠缠的描写。
真空不是一个简单的0和1的海洋。在我们的量子比特海中，这些1排成一串，就像根弦一样，是有些组织和结构的，就像纤维组成的弦状网状结构。量子比特海就是这样一种弦网液体，弦网中的波能够满足麦克斯韦方程。你光看简单的0和1的波还不行，必须要1变成弦网之后，这个弦网的波就得出麦克斯韦方程了。
在我们的真空概念中，有满足麦克斯韦方程的光，这是否意味着真空是一碗汤面？满足麦克斯韦方程的光，是否一定起源于有弦网结构的量子比特海？但一个假说能自圆其说，不能证明这一假说是正确的。我对弦网理论很有信心，是因为我们发现，有弦网结构的量子比特海，不仅能给出麦克斯韦方程，它还能自然而然地给出有费米性的电子。
我们真空里的弦都是闭弦，弦形成大大小小的圈，大部分圈和宇宙一样大。这样的真空里没有电子，而弦的密度波就是光波。但弦可以打开，成为有端点的开弦。这个端点就是有费米性的电子和夸克。这一下就把电子和光子给统一了，就这么简单。
我想强调，在弦网理论中，弦本身并不是基本构件，基本构件还是那个量子比特。弦网只是用来描写量子比特的长程纠缠。
归纳讲，弦网理论假设真空是一个有弦网结构的量子比特海，弦的密度波就是光波（电磁波），弦的端点正好是电子，电子和电磁有相互作用，这个相互作用正好跟弦的端点和它的密度的相互作用完全一样，完全能用弦网理论描写。除此之外，不仅电磁相互作用在里面，弱相互作用、强相互作用全在里面，都能起源于有弦网结构的量子比特海。就连弱相互作用的手征性，也能起源于有弦网结构的量子比特海。现在唯一解释不了的就是引力。
基本粒子的起源和统一，以及引力和时空的起源和统一，这都是我们想做的基本问题。我们看到，量子纠缠和弦网凝聚理论可以具体解释基本粒子的起源和统一，可以把基本粒子和除引力之外的相互作用全部统一。这使我们对这一思想方法有信心，希望能进一步解决引力和时空的起源和统一问题。
最近超弦理论取得了很大发展，揭示了几何与量子纠缠之间有深刻的关系，说明引力和时空与量子纠缠之间应该有非常大的关系，但这个关系还没有形成一个完备的理论。现在这个观念大家都在讲，很多征兆都有了，但数学上还没有把这个方程全写出来，还没有形成一个完备的理论。
？：弦网凝聚理论与其他尝试性解释大自然最基本作用机制统一理论相比较如何？如超弦理论、圈理论等。
文：这个问题提得非常好。弦网理论、超弦理论、圈理论的目标都是一样的，就是基本粒子的起源和统一问题，以及引力和时空的起源和统一问题，只是解决问题的思路不一样。我的理论思维是从一种演生的角度出发的，它的基本构建单元是量子比特，而我们的真空就是量子比特的海洋，自然规律来源于量子比特的长程纠缠。某种量子比特的长程纠缠，能给出麦克斯韦方程和狄拉克方程。如果换一种纠缠的话，世界的规律就完全不一样了，会是另外一些方程。所以，我强调是量子比特和它的纠缠，是这两种东西构造出我们的这个丰丰富富的世界。
超弦理论觉得电子、光子等基本粒子不是粒子，而是一小段一小段的弦，是很小的弦，这种弦有各种各样的振动模式，它的不同振动模式给出不同的粒子。从某种程度上看，它还是有点还原论的思路，还是在找物质更小的基本构件。只是超弦理论说，电子不是最小的，每个基本粒子还有更小的组成部分，就是弦，是弦在小范围上的不同的局部运动方式构成了不同的粒子。
对比之下，弦网理论中的量子比特不是基本粒子更小的基本构件。许许多多量子比特遍布整个空间，形成和宇宙一样大的海洋。这个量子比特海的波动涡旋给出了各种各样的基本粒子，而不是说这些基本粒子是由量子比特组成的。这就是演生的观念。在超弦理论中，电子是一小段弦，对应于弦的一种振动模式；而在弦网理论里，电子是一根弦的一个端点。这根弦可以跟宇宙一样长，其另一个端点，对应于一个正电子，可以随便跑多远。
至于圈理论，其思路跟我的思路有点像，但圈理论一直不成功，它还不是一个完全能明确定义的理论。由于还缺乏严格的基础，圈理论要作为一个量子理论是有些困难的。对该理论所做的近似研究也得到了一些结论，但不能清晰看出这些结论是近似的结论还是这理论本身的结论。大家对目标都很明确，就是希望得到那个结果。你取它的近似达到你想要的结果，但不清楚实际上能不能达到那个结果，在这一点上不太清楚。我之所以说圈理论不成功，还因为圈理论和弦网理论一样，能很自然地解释SU（2）弱相互作用，但圈理论的目标是解释引力，它好像不能自然而然地解释引力。所以说圈理论更自然地是一个SU（2）弱相互作用理论，而不是一个引力理论。我挺赞同圈理论的思路，但圈理论本身的结构有问题，使得我们没法儿从理论本身的结构中推导出爱因斯坦的场方程。
？：怎么看当今宇宙学最大、最令人困惑的暗物质和暗能量问题？
文：这个有点不在我的专业里了。实际上，我并不是太清楚到底应该怎么来理解它。最简单的标准模型里没有暗物质、暗能量这样的东西，所以为什么有暗物质和暗能量就是个最大的疑问。
怎么来理解这个问题？我觉得有两种看法，一个是，我们现在的标准模型不太对，需要扩张，应该有新粒子。那会怎么扩张就是很有意思的问题了。弦网理论导出的基本粒子理论不是现在的标准模型，而是变形的标准模型，它包括有新粒子。所以弦网理论提出了一个对标准模型的扩张方案。另外一种可能是，万有引力在大尺度下有偏差，这种看法也非常基本。但我对这第二种看法不是太赞同。我觉得大尺度下广义相对论是挺漂亮的，只是小尺度下有问题，那是因为量子化有问题。所以我不觉得大尺度下广义相对论有问题。我比较赞同的是，也许是有一些其它的新的粒子。所以现在很多人也在找，如果真有新的粒子，标准模型真的需要修改的话，那当然是一个很大的进展了。我们现在觉得标准模型似乎把所有东西都解释了，没解释的东西也不多，如果暗物质真的是由于新的粒子引起的话，那就把标准模型的缺陷暴露出来了。因此，我觉得暗物质、暗能量问题有可能会修正标准模型，会对发现新的粒子有帮助。再具体的东西，我也不是太清楚。
文小刚对量子纠缠的解释：
量子力学中不能表示成直积形式的态称为纠缠态。举例说明：考虑两个体系（如两个比特），每个体系有两个态—0和1。这样的体系共有四种态：00、01、10、11。在量子力学中，我们有新的形式存在—这些态的“混合态”。如00+11是00和11的“混合态”，00-11是另一个00和11的“混合态”，00+01+10+11是00、01、10，和11的“混合态”。00+11和00-11也都是纠缠态，因为其中第一个体系，既不是处于1态，也不是0态，甚至不是0和1的任意一个“混合态”。其第一个体系是处于1态还是0态，和第二个体系是处于1态还是0态有关。这就是量子纠缠。00+01+10+11不是纠缠态，因为其中第一个体系总是处于0和1的一个“混合态”，x态，x=0+1，它和第二个体系无关。第二个体系也总是处于0和1的一个“混合态”，x态，x=0+1，和第一个体系无关。这是因为xx=（0+1）（0+1）=00+01+10+11。
纠缠态之间的关联不能被经典地解释。所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题。
篇三:[文小刚]主编访谈 | 文小刚、刘克峰：科学的美与真
主编访谈 | 文小刚好科普要启发年轻人问自己的问题
文小刚，国际著名的理论物理学家，主要研究领域为凝聚态物理，弦网理论的开创者。现任美国麻省理工学院(MIT)终身教授、格林讲席教授，美国物理学会会士，加拿大滑铁卢前沿理论物理研究所(PI)牛顿讲席教授。
赛先生：您对赛先生有何期许，希望把她建设成一个什么样的科学媒体?
文小刚：我一直在物理学的前沿领域从事开创性工作。这些年来，在大家的努力下，物理学取得了非常大的进展。这些进展牵扯到数学、材料科学、计算机科学、人工智能、基本粒子等各个方面。我觉得有义务把这些科学上的新进展介绍给大众。赛先生是个很好的传播平台。
我希望赛先生是一个能够把科学上取得的最新进展准确、全面地传播出去的媒体。而我们现在从媒体中看到的很多科普内容，实际上缺乏科学上的严肃性，因为屈从于“抓眼球”和某些商业利益，带有误导性，甚至有点像伪科学。我希望赛先生是一个与此不同的科学和科普媒体。
赛先生：您如何看待在中国做科普(科学传播)的前景和意义?
文小刚：现在的中国学生受到的应试教育压力太大。为应对考试而努力十几年后，年轻人往往磨掉了原有的创新精神和科学精神。希望通过赛先生的努力，营造出一个新的科学创新的氛围，启发年轻人问自己的问题，想自己的问题，做自己的探索，把人类生来就有的好奇心重新带回给青年科学家。也就是说，好的科学传播应努力降低应试教育对科学创新的负面影响，为培养造就有用人才做出贡献。
赛先生：在您看来，科学精神最重要的是什么?
文小刚：我觉得科学精神最重要的一点就是，追求自己认可的价值，追求自己认可的美。这很像艺术创作的精神。我认为做科学惟其如此，才能做出真正创新的工作，有自己风格的工作。学生学习，不仅是为了学习知识，更重要的是在学习过程中，建立自己的价值观，自己的审美观，自己对世界的看法，以及自己对现有理论的批判和评价。这也是赛先生要传播的科学精神。
主编访谈 | 刘克峰成为优秀科学家需要怎样的修养？
刘克峰，国际著名数学家，现任浙江大学数学中心执行主任、光彪讲座教授、美国加州大学洛杉矶分校数学系教授、《Communications in Analysis and Geometry》主编。曾获得全球华人数学最高奖"晨兴数学金奖"和国际著名的谷庚海默奖、全球华人数学家大会银奖、Sloan奖、Terman奖等多项重要国际奖项。
几天前，师弟险峰(编者注：顾险峰，师从丘成桐院士，现为纽约州立大学石溪分校计算机系终身教授，清华大学丘成桐数学科学中心访问教授)打来电话，建议并鼓励我加盟“赛先生”。我很犹豫，一方面每天脑子里转的都是数学公式，不愿意被其它事情打扰;另一方面也习惯了现在自由自在的状态，只希望能够每天喝着茶，在加州或者杭州的阳光下思考数学，与学生和朋友一起讨论研究。犹豫之间，险峰师弟安排我与赛先生的创办人张赋宇先生通过微信聊了一阵。但我还是拿不定注意，便上网搜寻了赛先生以前的一些篇文章，又到赋宇先生的微信相册上浏览了一阵，好不过瘾!赋宇先生的理念、豪爽和热情令我感动，赛先生那些高水平的科普文章，高效超前的编辑和运营模式更令我惊艳。对赛先生的欣赏和好奇心使我有了跃跃欲试的感觉。
而赛先生聘请的另一位主编文小刚教授是我非常尊敬的世界一流的理论物理学家，他的理论往往用到许多深刻的数学知识，也是我希望学习和了解的。除此之外，我们还有更深的渊源。文教授的博士论文导师是目前举世公认的伟大的物理学家和数学家爱德华·威滕(E·Witten)，他被称为当代的爱因斯坦。我的硕士论文、博士论文，还有我后来的许多文章，或是深受威滕的理论启发，或是解决威滕的猜测。能够与文教授共事，学问上也必然也会大有收获。欣赏、好奇，还有缘分，促使我下了决心，入伙!努力与他们一起把赛先生办成中国最引人注目的高水平科普，使之成为连接一流科学家与普罗大众的桥梁。
在生活中，作为科学家，我们每每感觉到与大众的隔膜，常常感慨难接地气。比如，当我告诉人们我是一个数学家时，十有八九的反应是看到外星人一样的惊奇表情，和随之而来的一声惊叹：“啊!你一定是个天才”。我总是要不停地解释：我的智商并不高，也不大会算数。其实，我之所以能成为一个不错的数学家，根本原因是我初中时有机会读到了很好的科普书和一些大学的教材。这些书引导我爱上了数学，早早开始领略那些美丽动人的公式并浸淫其中。我常常为一道难题苦思冥想很长时间，慢慢养成了思考问题的耐心和习惯，而这恰恰是成为一个数学家或者科学家所必需的修养。一句话，我之所以能成为数学家，只是因为开窍比较早，练就了一点童子功而已。我认识的许多优秀科学家莫不是如此，由于少年时的一本好书、一篇好文章、一个好的老师，从此走上了科学的道路。所以好的科普可以改变一个人，这些人的发明创造可能会改变世界。
科技水平是衡量一个国家强盛的标准。看看清末中国屈辱的历史，大刀长矛挡不住坚船利炮，愚昧落后让中国任由西方列强宰割。究其根本，是我们的科技落后。在中国人为了八股文绞尽脑汁的时候，西方科技经历了革命性的发展，用中国人发明的火药制造了枪炮。第二次世界大战时期，是数学家破译密码改变了战争的进程;一批科学家制造的原子弹使战争提早结束，从而拯救了无数生命。毫无疑问，现代和未来的战争更是高科技的比拼。今天的中国，经过改革开放后几十年的高速发展，经济上已经取得了巨大的成就。然而我们的高科技创新却依旧相当落后。没有先进的科技作为基础，中国就不可能成为真正的世界强国。富而不强，就改变不了被凌辱和掠夺的命运。
“钱学森之问”是在我们社会上回荡了很久的问题，其实这个问题人人都知道答案，却人人都不知所措。为什么中国出不了乔布斯这样改变世界的天才企业家，也出不了威滕这样才华纵横的伟大科学家？如果乔布斯、威滕他们生在中国，在中国的教育体制下，他们会成为什么样的人?这都是我们的科普可以探讨和改进的问题。我在国内外带过不少中国学生，他们中不乏聪明，甚至富有天才的年轻人。我注意到，他们中不少人的思考模式从小就被我们的教育误导了，他们习惯于跟着书本和现成的知识，不敢突破条条框框，更缺乏对大自然的好奇心和对科学的献身精神。科学的精神是求真、求美。麦克斯韦方程、牛顿万有引力定律、爱因斯坦广义相对论、薛定谔方程等等这些刻画着世间万物运动的美丽方程式和伟大的真理，是每一个科学家至死不渝的追求，为了它们，“朝闻道，夕死可矣!”中国需要优秀的科普来弘扬科学精神，使我们的社会能够尊重和欣赏科学的威力和美丽，能够提高年轻人的科学素养，改变他们学习和思考的固定模式，使他们敢于突破和创新，培养他们用科学来观察和理解世界， 鼓励他们探究大自然的好奇心和为求真理不惜一切的勇气。这是中国科技发展的基础，也是中国未来的希望。
从2007年开始，由于协助丘成桐先生举办每年一届的丘成桐中学数学奖，我有机会与赞助者，泰康保险公司的陈东升董事长几次谈起科技创新的话题。陈先生是中国最成功，也最有远见卓识的商人之一，他领导的泰康保险公司更是通过长期赞助中学生竞赛来鼓励中国青少年的科技创新。陈东升先生告诉我，在目前的中国经营企业，“创新，就是率先模仿”。为此，他每年去国外考察、思考，率先引进优秀的商业模式。他创办的几个公司无不马到成功，并开始引领行业的潮流。其实，做科学研究与他的这一经验有异曲同工之处，从开始模仿到最后超越，从学习他人到自我创新，起步越早，成功的几率越大。好的科普要能够启发年轻的一代人，使他们能够尽早地对探索大自然的奥秘感兴趣，并有信心投入其中。只有这样，他们之中才会有越来越多的人走上科学之路，科学的未来才有希望。张赋宇先生讲过，中国少几个商人或许无足轻重，而多几个优秀的科学家很可能会改变未来的中国。伟大的中国渴望伟大的科学家。
有机会与这样有真知灼见的企业家共事是件很开心的事情。中国需要最好的科普，也会有最好的科普。我看好赛先生，愿与它携手一程。
赛先生出品人 | 张赋宇让我们一起期待新的赛先生
赛先生出品人
非常开心能邀请到文小刚和刘克峰两位世界顶尖的科学家担任赛先生主编。希望赛先生是他们科学研究之外发挥才干的又一个舞台，并把他们的思想、风格带进来，传递给赛先生的读者，并通过赛先生传递给中国和世界。
在中国，肯花钱投资高科技产品的企业和企业家不少，但肯花钱做科普的企业家却不多。我想，个中原因其中除了做科普不容易赚钱外，还容易惹上麻烦。科普在中国长期以来被当作一项公益事业，而商人往往是“重利轻离别”。在我们这个缺乏理性的标签社会，标签是这样贴上去的：商人做什么都是为了逐利，而科学家做什么都是为了公益。所以，你要突破商业边界溜达到科学这一高尚的领域，目的就很值得怀疑。
此外，中国目前还缺少一个成熟的企业家和科学家合作模式，甚至缺失可以模仿的范例。无论是在高科技领域还是在科普领域的合作，双方往往从热情开始，然后冲突不断，相互指责，最后不欢而散。这种文化大大阻碍了中国的科技创新和科普事业的进步。
我正是在这种情形下冒冒失失进入这一领域的。我虽不是大资本家，但却想一试。我常会想，美国科学如果没有洛克菲勒、杜邦、福特、摩根、卡内基等企业家的奉献和推动，也许远不及今天的样子。尤其洛克菲勒将大笔资金捐献于科学，对推动美国的科学研究意义非凡。他创办的洛克菲勒大学，迄今产生了24个诺贝尔化学奖和生理或医学奖，是世界上此领域获诺贝尔奖最多的机构。
大名鼎鼎的诺贝尔就不用说了，用办企业赚的钱设立了诺贝尔奖，他是企业家中成功推动科学进步的典范。值得说说的还有比利时工业家索尔维，美国犹太人企业家邦伯格兄妹和美国西屋公司与英特尔公司。
索尔维从20世纪初谋划创立索尔维会议，并于1911年召开了首届会议，此后每3年召开一次，邀请当时最负盛名的物理学家与会。第五届索尔维会议，几乎集中了当时世界上最聪明的大脑：爱因斯坦、普朗克、洛伦兹、居里夫人、玻尓、海森堡、薛定谔、德布罗意、狄拉克等大科学家。会上，爱因斯坦和玻尓关于量子力学的论战声震寰宇，影响了整个量子力学在20世纪的发展。
而邦伯格兄妹出资、由弗莱克斯纳创办的普林斯顿高等研究院，在30年代邀请了爱因斯坦、冯·诺伊曼、泡利、哥德尔等大学问家去做研究，让美国一跃成为全球科学中心，普林斯顿高研院至今仍是科学圣地。
而西屋公司和英特尔公司设立了一项科学奖学金(以前由西屋赞助，1996年后由英特尔公司赞助)，选拔具有科学天赋的中学生，激发他们的好奇心，鼓励他们的科学研究。这是一个非常棒的培养青少年科学兴趣和开发他们科学天赋的好活动。它鼓舞了一代又一代的美国青少年迈进科学的圣殿。
我想，正是这些企业家和企业的参与，让科学变成了不仅仅是科学家的事。这正是我在中国介入科学传播的动力所在。
对中国目前的科普现状，我也想说几点看法。
首先，我们往往把“科普”看成是对没有受过高等教育的低端人群讲科学的活动，好像科普是下乡跟农民说事儿。这是一个不小的误区，实际上，更需要科普的正是高教育人群，尤其是握有决策资源的人。因为他们决策的正确或错误在影响着很多的人。
其次，中国目前参与科普的科学家太少，导致科学传播的专业性不足，很多以科普为职责的媒体在不自觉地传播伪科学，甚至反科学。
再次，目前很多媒体把科普娱乐化，失掉了科学本来的美感。而真正的科学是有趣的，引人思考的。但有趣不是娱乐化，娱乐化摧毁了科学蕴含的思维之美。
最后，中国政府每年投入大把的钱财搞科普，但政府最应该按市场化来分配科普资源。谁的科普做得好，谁的影响力大，效果好，就应该把钱给谁，而不是由科协来垄断科普。应该设立一个市场化的竞争机制，大家一起竞争，科协如做不好科普，可以破产。
文小刚教授和刘克峰教授是我非常欣赏的科学家，我怀着崇拜的心情和他们一起工作，本身是一件非常惬意的事。文小刚教授享有“科学家中的艺术家”之美誉。和他交往、听他聊天，或读他的文章，我都能深深地感受到他的思想之深邃，思维之美妙。刘克峰教授作为丘成桐先生的高足，数学成就非凡，又是非常豪爽之人。能和他们一起来推动中国的科学，推进中国科学文化的建设，实在是一件让人愉快的事。让我们一起期待新的赛先生。
