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文小刚谈物理新革命:万物起源于量子信息

2021-09-26  taotao_20...

物理学中的每一次大统一都可以被认为是物理学的新革命。文小刚教授表示,我们经历了牛顿时代的力学革命、麦克斯韦理论导致的电磁学革命、爱因斯坦引发的相对论革命,以及第一次量子力学革命。如今,我们正处在第二次量子革命当中。这次革命是物质和信息的统一,从量子比特海中产生各种各样的物质、相互作用,甚至时间和空间。万物皆起源于量子信息。

撰文 | 韩扬眉、乌鸦少年

来源 | 反朴(ID:fanpu2019)

人类生活在一个怎样的世界里?凝聚态理论物理学家文小刚的答案是,我们生活在量子计算机里面。量子信息是真实的,而我们所看到的各种物质、人,都是量子信息的虚拟反映。

7月23日,由《返朴》与中国科学院物理研究所联合主办,美国麻省理工学院终身教授、美国科学院院士、本刊总编辑文小刚教授以《物理的新革命——量子信息:物质和相互作用的起源》为题,做了一场人气爆棚的科普讲座。当天到场听众接近500人,以物理相关专业的研究生和专家为主,讲座结束后的若干提问也颇见水平。(欲看讲座录像,请在文末扫“科界会议小程序码”观看。除本文介绍的该场讲座外,当天下午文小刚教授还主讲了一场名为《拓扑序材料——有量子记忆的材料:理论和实验》的学术报告,同样值得推荐,观看办法同前。

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文小刚教授(左)和场下观众(右)

世界绚丽多彩,充满多种多样的材料,而材料的性质各有不同,这些性质从何而来?我们如何认识它们?

在文小刚看来,我们对世界的认识是通过从发现到统一,再到更多发现、更多统一的循环,一步步的深化。“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,描写世界的语言、数学工具也会随之发生改变。”

文小刚梳理了历史上的四次物理学革命,以充分说明这一观点。第一次是力学革命,英国物理学家牛顿通过万有引力定律统一了天体和地面物体的运动规律,与此同时,他发展了微积分,以此作为数学工具描述牛顿运动方程。

第二次是电磁学革命,英国物理学家麦克斯韦统一了电、磁、光这三种貌似不相关的自然现象,还发现了新的物质形态——波形态,这与牛顿认为物质由粒子组成的理念具有本质区别。麦克斯韦使用的数学工具是微分方程,这可以归结到后来发展的纤维丛理论。

第三次是相对论革命,在广义相对论中,爱因斯坦将弯曲时空这一几何概念和引力作用统一,并预言了第二种波形态物质引力波的存在,与此对应的数学理论基础是黎曼几何。

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相对论革命将引力质量与惯性质量等效起来。

通常而言,一个物理理论需要数学语言来描写。文小刚表示,牛顿非常了不起,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描写出来。而后两次物理革命,则是数学家走在了物理学家前面,新数学工具先被发明,物理学家直接拿来借用。

第四次物理革命是量子力学革命。文小刚认为,波形态和粒子形态物质的统一可以被称为第一次量子革命。过去,牛顿认为物质是粒子形态的,后来麦克斯韦和爱因斯坦发现了波形态物质。而量子革命则把物质的波形态和粒子形态统一起来了。这种认识颠覆了传统的世界观,即在量子世界,物质的存在既不是粒子也不是波,既是粒子又是波,被称为波粒二象性。(参看《第一次量子革命:波和粒子的统一 | 众妙之门》)

文小刚表示,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。“量子和代数的眼光,这是非常独特的看世界的眼光。”

文小刚认为,量子革命是最神秘、最不可思议的物理革命。他笑称,这次革命的发生,是物理学家们“非常不情愿的”,是由于发现了很多奇特的自然现象而发展起来的。他认为,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。这一“存在”的方式比我们想象的要多,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。”(参看《量子比特:一只又死又活、不死不活的薛定谔猫丨众妙之门》)

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现场观众:于渌院士(左)、哈佛大学教授Arthur Jaffe(右)

文小刚认为,我们正在经历第二次量子革命,第二次量子革命是信息和物质的统一。过去我们认为,物质携带的性质提供给我们信息。而量子力学告诉我们,信息和物质是不可区分的,信息就是物质,物质就是信息。

他进一步解释说,“一般我们认为,能量是物质的性质,频率是信息的性质。而量子物理认为,频率就是能量,能量就是频率,它们之间只不过存在一个转换系数,即普朗克常数。普朗克常数不是自然常数,而是由于历史上的认知偏差引入的常数。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。”

文小刚以电影《黑客帝国》描述的两个世界作类比:一个是物质世界,所有东西由粒子构成;另一个是计算机中虚拟的世界,也就是信息世界,所有东西由比特形成。在这里,信息世界可以与物质世界同样真实。事实上,我们所在的真实世界比这更为不可思议,它是一个量子信息的世界,信息是一切的基础,物质是由信息构成的虚拟的东西。“我们生活的真实世界是一个量子计算机,存在于其中的各种物质、人,都是量子信息的虚拟反映。”

文小刚笑称,这个想法虽然看似天马行空,实则是有理论依据的。他回溯了我们对世界的两种看法。传统还原论的观点是,空间是空的,空间中的物质可以细分成基本粒子。而信息是物质起源的理论源自演生论。演生论认为,空间本身并不是空的,而是由量子比特组成的“量子比特海”,基本粒子是量子比特海中的气泡、涡旋。

不过简单的量子比特海真的能够产生各种各样的物质和我们这个丰富多彩的世界吗?比如,它能产生麦克斯韦理论中的电磁波吗?文小刚解释说,如果量子比特海是规则排列的晶格点阵形式,那么点阵的压缩形变会产生一个纵波模式,剪切形变会产生两个横波模式,但电磁波只包含两个横向偏振,所以这种解释是不对的。

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规则排列的晶格点阵形式:(上)固体晶格点阵压缩产生纵波;(下)剪切形变产生两个横波。

如果空间是量子比特的所有随机分布的线性叠加,例如凝聚态物理中的超流体,那么密度涨落会压缩形成一个纵波,没有横波,也无法产生电磁波。尝试过各种各样的量子比特模式后,始终无法产生满足麦克斯韦方程的电磁波。人们不禁要问,量子信息真的能够产生物质吗?

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超流体:(上)液体压缩产生纵波;(下)液体剪切形变无法产生横波。

文小刚认为,我们之所以失败,是因为我们对于物质形态的认识还太过局限,没有尝试到正确的物质形态。最近十几年,物理学家发现了一种新的物质形态——“量子弦液体(quantum string liquid)”。对于弦液体,量子比特0构成空间的背景,量子比特1形成闭弦,量子弦液体是各种各样的弦构型的线性叠加。如果允许弦分叉,我们会得到更复杂的弦网液体(参看《光的奥秘和空间的本源|众妙之门》)

量子弦液体和弦网液体(string-net liquid)是拓扑物态,是一种全新的自然现象。正如历史上的物理革命一样,描述新的自然现象需要新的数学,刻画弦网液体的数学工具是融合范畴学(fusion category)(参看《文小刚:物理学的新革命——凝聚态物理中的近代数学 | 众妙之门》)

弦液体中的波是弦密度波,其由矢量场描写的。对于闭合的弦,沿着弦的方向,弦密度不能变,只有垂直于弦方向,才会有弦密度变化,这在数学上对应于散度为0的矢量场。因此,弦液体没有纵波,只有两个横波,满足麦克斯韦方程。

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弦网液体(上)及其形成的弦密度波(下)

另外,更复杂的弦网液体中的波,可以满足描述电弱相互作用的杨-米尔斯方程,强相互作用也可以用不同的弦网波动来描述。因此,不同的弦网波动会产生不同的规范群,也就是相互作用,这样,弦网液体就统一了光子、胶子等玻色子。

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光子和电子的弦网液体。

另一方面,开弦的端点满足费米统计,对应于费米子,也就是构成物质的基本粒子。到此为止,弦网液体理论就统一了所有的物质和相互作用,包括麦克斯韦电磁学方程、杨-米尔斯方程、费米统计等多种自然现象。目前,只有爱因斯坦方程中自旋为2的玻色子,也就是引力子尚未统一进来。

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开弦的端点满足费米统计。

文小刚总结道,空间、物质、相互作用起源于量子信息。世界上所存在的各种各样的物质、它们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的中心地位。描绘量子纠缠需要新数学,未来,除了融合范畴学,还需要张量范畴学、代数拓扑等各种现代数学,它们将在第二次量子革命中发挥重要作用。

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