文小刚:“对称性是丰富多彩的,量子纠缠更为丰富多彩”
创始人
2026-06-16 16:12:49

杨振宁、葛墨林、何杨辉编了一本书,叫做《拓扑与物理》。这本书里面有杨振宁、彭罗斯、威腾、阿迪亚这些大人物的一些文章。其中第7章是文小刚写的一篇文章:《物理学的4次革命和第2次量子革命——量子信息下力和物质的统一》,在他的文章里就出现了我们题目中所引的那句话。

我们先来说说历史上的物理学革命。

1 牛顿力学。所有的现象归结为遵循牛顿运动定律的物质粒子所引起的。

2 麦克斯韦理论。这个理论把电、磁和光统一为电磁场,而这些场的运动遵循麦克斯韦方程。

3 相对论理论。这个理论把时间、空间统一为时-空,并且把引力解释为时-空的弯曲,也就是说相对论把时间、空间和引力进行了统一。

4 量子力学。我们知道,牛顿力学的基本物质是粒子;麦克斯韦理论的基本物质是电磁波。而量子力学认为,所有的物质,都是波粒二象性的表现。因此,量子力学统一了粒子与波,它们都遵循量子力学规律。

以上我们描述的就是历史上4次物理学革命。目前是量子力学与相对论相统一,进而达到物理学第5次革命的时期。量子力学与相对论的统一,还没有完成。量子力学与狭义相对论的统一,产生了量子场论。在量子场论的框架内,我们建立了粒子物理的标准模型。这是到目前为止,人类有实验验证的最好的理论。

然而量子力学与广义相对论的统一,人们在这个方向上的探索最有名的是超弦理论,以及圈量子引力等等。不过,这些理论,在基本原理和实验证实上,都还很不完善。离成功之日非常遥远,可以说是遥遥无期。

不过,在追求量子力学与相对论的统一,从而得到物理基础整体的统一这条路径上,除了量子力学的基本原理,就是对称性了。温伯格曾经总结到:量子力学加对称性,这就是我们需要的一切。比如,量子力学原理与狭义相对论的庞加莱群的结合,产生了量子场论。在这种情况下,基本粒子就是庞加莱对称群的不可约表示;而标准模型,引入的对称是规范对称性,由李群来描述。因此,现在成功的标准模型,它是量子力学原理与庞加莱群所表示的狭义相对论对称性,以及李群表示的规范场对称性相结合的结果。而超弦理论要引入超对称性,才能够得到比较协调的数学形式,圈量子引力要保留广义相对论的微分同胚不变性的对称性。

因此这一路走来,我们可以看到,自从量子力学诞生以后,我们的统一取得的进展,跟对称性是息息相关的,是离不了对称性的力量的。所以,文小刚写到:“对称性是丰富多彩的。”

现在,超弦理论和圈量子引力代表的统一理论,似乎再难走得通的时候,我们的出路在哪里呢?

文小刚在凝聚态物理领域的研究,发现了另外一条统一的可能途径。他在杨振宁等人编的这本书中写到:“然而,研究量子物质真正令人感到兴奋的是,这或许带给我们全新的世界观。这是因为长程纠缠既可以产生规范相互作用,又可以产生费米统计。相反,几何的观点只能产生规范相互作用。因此我们也许不应该采取基于场和纤维丛的几何描述来了解我们的世界,或许我们应该利用纠缠描述来理解世界。用这种方式,我们从单一源头(量子比特)即可得到规范相互作用,又可得到费米子。我们也许就住在一个真正的量子世界中。因此,量子纠缠代表了物理学的新篇章。”

所以,“量子纠缠更为丰富多彩!”

注:文小刚的导师是威腾,威腾是超弦理论的“教皇”;现在文小刚是凝聚态物理的领军人物之一。导师的路目前难以打通,而他的弟子文小刚却另觅得一条大道,就是用信息来统一物理学。在不久前的一次访谈中,说到物理学统一的一个有前途的方向时,威腾也说是量子比特,也就是信息的角度来考虑,是最有希望的。师徒二人各自代表了物理学统一的一条路径,说来也是物理学史上的一段佳话了。

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