溫小剛和凝聚態物理材料模擬所有基本粒子

Mondo 教育 更新 2024-02-01

溫曉剛是著名物理學家,美國國家科學院院士,麻省理工學院終身教授,格林講座教授。 主要研究方向為:凝聚態物理。 2002年,他當選為美國物理學會會士。 2017年,他獲得了美國物理學會頒發的巴克獎。

1977年溫考入中國科學技術大學物理系,1981年以全國第一名的成績通過了CUSPEA(中美聯合物理學研究生專案)入學考試,隨後前往普林斯頓大學深造,1987年獲得普林斯頓大學博士學位。

1 .這很有趣,這是美麗的數學”。

溫曉剛在著名的演講《創新是孩子的遊戲》中,詳細介紹了他的凝聚態物理新理論的發現過程。

溫曉剛說:“1987年研究生畢業後,我從超弦轉向凝聚態物理學。 當時,一位凝聚態物理學家同情而憐憫地對我說:現在當我轉向凝聚態物理學時,無事可做。 那時候,我是無知的,我沒有把它放在心上。 在改變方向後,我最初對高溫超導中的量子自旋液體感興趣,因為我認為它很有趣,因為我認為它在數學上很漂亮,具有挑戰性,並且與標準凝聚態物理學的思維方式截然不同。 ”

2 .發現拓撲相(拓撲順序)。

1989年,溫曉剛意識到不同的手性自旋液相可以具有完全的相對稱性,這意味著這些差異無法用朗道的對稱性破壞理論來區分和描述。 我後來看到的量子霍爾相不能用朗道的對稱破壞理論來描述。 這些是以前從未見過的全新物質階段。 溫曉剛把這種新型物質相稱為拓撲相(又稱物質拓撲狀態)。 將物質狀態放置在具有不同拓撲連線的空間中,可以檢測物質狀態的拓撲順序。 物質的拓撲狀態作為一種新的表徵:由於物質狀態被置於具有不同拓撲連通性的空間中,因此利用基態簡併與物質狀態的空間拓撲之間的關係來描述物質狀態中的拓撲順序。 但這種新的描繪起初並沒有得到認可。

3 .拓撲順序:高階類別。

十年後,量子資訊成為乙個非常繁榮的領域,並開始影響凝聚態物理學。 這時,溫小剛發現,物質拓撲態中的拓撲順序,原來是量子糾纏的不同構型。 “我記得當我在2002年意識到這一點時,我的頭腦突然變得清晰,”他回憶道。 對我來說,這是從不知道到不知道,再到知道又不知道的轉變,將我對拓撲順序的理解提公升到了乙個更高的層次。 我曾經有過“拓撲”這個名字,但我真的不知道什麼是拓撲。 ”

後來,溫曉剛意識到拓撲階等於多體量子糾纏的構型。 這種理解導致了基於高階類別的拓撲順序理論。 高階範疇是乙個純粹的數學理論,大多數數學家並不關心,它是乙個發展中的理論。 為了系統地描述凝聚態物理學中的拓撲階數,有必要進一步發展數學中的高階範疇論。 溫曉剛認為,這是自牛頓以來,物理和數學前沿第一次緊密接觸。

4 .相互作用、資訊和物質:“偉大的統一理論”。

如果空間是具有弦網糾纏結構(一種新型量子以太)的量子位元的海洋,這可以解釋所有基本粒子的起源。 這代表了資訊和物質的統一。 構成空間的量子位元海洋也是一種具有拓撲順序的物質拓撲狀態。 拓撲順序及其相應的量子糾纏是光子、電子和所有其他基本粒子的起源。 這在數學上被證明是可能的。 目前標準的大統一理論只統一了三種相互作用。 物質的拓撲狀態是乙個超大的統一理論,它統一了相互作用、資訊和物質。 物質的拓撲態已成為凝聚態物理學中最活躍的前沿領域之一。

最後,溫曉剛自信地指出:“人們正在尋找各種材料來實現各種不同的拓撲序列。 如果我們在空間量子位元的海洋中找到一種實現弦網路拓撲順序的材料,那麼這種材料可以模擬所有基本粒子。 有了這些材料,我們可以聲稱已經掌握了世界。 ”

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