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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 [:1700970795]
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 8．期待革命
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在理论物理领域内，现在已经可以见到越来越多的华人科学家的身影。斯坦福大学教授张守晟和麻省理工学院的教授文小刚，是近年来备受关注的两位。这两位学者都从研究高能物理开始再转而到凝聚态物理。文小刚继劳夫林解释分数量子霍尔效应之后，建立了分数量子霍尔效应的拓扑序理论和边缘态理论[57]。之后又进一步把弦论嫁接到凝聚态中，提出弦网凝聚理论，该理论不仅揭示了拓扑序和量子序的本质，而且文小刚又将它从凝聚态物理转而返回到宇宙中最基础的物质本源问题，构造出了一个颇有希望的统一理论，有兴趣者可参看文小刚本人就弦网凝聚理论而写的一篇精彩科普[58]。（图6-8-1）
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图6-8-1 文小刚和他的弦网理论
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研究凝聚态的科学家，如何也走上了这条统一之路？实际上，凝聚态物理与粒子物理一直有密不可分的关系，因为它们都基于量子理论，对称性自发破缺的概念最早便是出现在凝聚态物理中。粒子物理学研究的是微观世界的基本粒子及其相互作用，凝聚态物理则更关心多粒子系统的宏观统计性质。
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在构造统一理论模型的思维方式方面，粒子物理学家们一直是“追根溯源”，将物质粒子分了再分，直到分不下去为止，这在哲学上属于还原论的范畴。然而，物理理论之统一是否只有“还原”这一条路呢？还原到一定的层次，也许应该变换一个思路，考虑多粒子“凝聚”在一起的理论，就像凝聚态物理学家们研究的那样？事实上，在粒子物理统一理论中占据重要地位的量子场论，本来就是属于多粒子系统的量子理论。如果将“统一”的思想，从“还原”的框框中跳出来，将其一开始便植根于多粒子相互作用之土壤中，也许能使我们考虑统一理论时具有更宽阔的视野，得益匪浅？
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因此，文小刚认为，粒子物理学家们孜孜以求的统一理论，答案有可能从凝聚态物理中得到。如今，粒子物理学家按照还原论的想法已经做到了极致，因为涉及的微观尺度越小，到达的能量级别就越高，即使理论方面还可以继续思考下去，但加速器所需的能量已经到了难以企及的程度，因而无法验证新的理论。而近年来在凝聚态物理的发展中，实验和理论都取得不少突破，新型的物质形态在实验中频频出现，比如拓扑序、拓扑绝缘体、自旋液体等。或许高能物理加速器中找不到的物质形态（或粒子），将来也有可能出现在凝聚态的实验室中？对多体系统中这些新型物态的理论研究，肯定将有助于量子理论，甚至数学理论的发展和变革，从而推动“第二次量子革命”。
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文小刚的弦网理论，便是1种从这种思路发展的统一理论。“弦网”与粒子物理学家研究的“超弦”不同，虽然都使用了同一个“弦”字，但此弦非彼弦，起码在尺度上有天壤之别。超弦之“弦”的数量级是很小的普朗克长度，弦网却是遍及宇宙，其“弦”的大小也可以大到宇宙的尺度。
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如此大尺度的“弦”，怎么能描述微观世界的基本粒子以及其间的相互作用呢？这与量子理论中奇特的量子纠缠现象有关。量子纠缠指的是两个曾经互为耦合的粒子，即使在分开很远的距离也还能不可避免地互相影响和纠缠[13]。由多粒子组成的量子系统有可能会发生这种长程的量子纠缠，如凝聚态物理中的拓扑物态便是起源于多体系统里的量子纠缠。
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文小刚认为，弦网理论的深层内涵是信息和物质的统一。因为弦网之弦是由量子比特构成的，弦网便是一个量子比特的海洋。认为物质等于信息的想法，学术界早已有之，不过初听起来总感觉带股抽象的哲学味道，不太像正统的科学。但事实上，物理学家研究这方面的先驱不少，量子计算和量子比特的概念最早是被费曼提出的，费曼和惠勒可算是一对疯狂的师生搭档，发明出不少新颖的想法。惠勒也曾经语出惊人地说过“万物皆比特”的名言。从哲学上来说这句话无可非议，易于理解。一切都来自于信息，这世界上如果除了信息之外还有别的什么的话，那不也是给了我们“信息”才使我们得以知晓吗？所以仍然是信息！况且，信息，即量子比特，也是在物理上可以实现的东西，就像经典比特可以用电路中电压的高低来实现一样，量子比特可以用基本粒子的自旋态来实现。
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量子力学与相对论的统一，其深刻的含义可能就是信息与物质的统一。物理学家伦纳德·萨斯坎德在《黑洞战争》一书中讨论过黑洞附近信息丢失的问题，即证明了信息与物质的深刻联系。
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在弦网理论中，真空就是一个充满了量子比特（0和1）的动态海洋。这些量子比特按照不同的规律形成量子纠缠，根据它们纠缠的不同方式而形成不同的“弦”和“网”。比如说，符合麦克斯韦方程的电磁波（光波），可以看作是真空中闭弦的密度波。这些闭弦的密度用以描述光波的强度。闭弦密度因真空涨落而不断变化，形成光波。变化有时候是剧烈的，产生“涡旋”，甚至将闭弦“拉断”变成了开弦。这些开弦产生了互相纠缠的正负电子对（或其他的费米子对），分别对应于弦的两个“端点”。“端点”之间也有可能重新连接起来，则就对应于正负电子的“湮灭”过程。如果弦网纠缠的方式和结构不同，也可以用来描述弱相互作用和强相互作用，而其中的涡旋或端点便可以描述夸克以及其他的基本粒子。如果能够再将涉及空间的基本几何性质的引力，也统一到弦网中，那就是一个大统一理论了。
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量子纠缠是量子力学中粒子的基本特性，玻尔和爱因斯坦当初的“世纪之争”就与此有关。直到目前为止人们对量子纠缠仍有许多疑惑之处有待挖掘。对弦网的研究也许能引发研究量子纠缠问题的高潮，从而推动量子理论，以及理论物理学的下一个革命？
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更多有关弦网理论研究，请参考文小刚等人的最新著作[59]。
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路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。大业未成，尚需动力。爱因特坦吹响了统一的号角，几十年至今，无数物理学家们始终如一地奋斗在漫长而艰辛的统一路上！
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 参考文献
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