导语


物理学中的每一次大统一都可以被认为是一场物理学革命,将完全无关的现象统一起来,并引入一种新的数学语言。牛顿时代的力学革命统一了地上的苹果下落和天上的行星运动,引入的新数学是微积分。麦克斯韦导致的“电磁革命”统一了电、磁、光,新数学是规范理论中的纤维丛。爱因斯坦引发的“相对论革命”,统一了时间、空间和引力作用,新数学是黎曼几何。第四次革命是“量子革命”,统一了原子光谱、黑体辐射,解释了双缝干涉,引入的新数学是线性代数和张量积。如今我们正在经历第二次量子革命,这次革命是信息和物质的统一,引入的新数学是范畴论。


研究领域:第二次量子革命,弦论,纠缠,拓扑序,范畴论

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1. 物理学革命与数学




文是一位物理学家,不过,常会谈到由数学的引入而发生的物理学革命。基础理论物理的发展是一种周期性范式转移,“发现->统一 ->更多发现->再次统一”,如此循环。这也符合库恩科学革命的结构:

科学革命概要的逻辑结构。一个因其经济性、因为富有成效性和在宇宙论上令人满意而被相信的概念图式,最终却导致了与观察不相容的结果,于是,信念必须被放弃,新的理论被采纳;之后上述过程重新开始。这个概要很有用处,因为理论与观察的不相容性是科学每次革命的根本来源。但历史上,革命的过程从来不是,也不可能像逻辑概要所说的那么简单。正如我们已经开始发现的,观察不会与一个概念图式绝对地不相容。

一一库恩《哥白尼革命》


革命的结果也很清晰,每次革命都带来一种新的语言(新数学),将完全无关的现象统一起来。但更为重要的是,每次革命都为我们带来一种新的世界观。这也符合马克思的革命最重要的是metanoia,心灵的改变:

革命被设想为是在世俗之内进行的一个过程,有两个主要的功能:(1)巅覆制度的功能;(2)净化的功能。这种根本结构是符合常规的,这种观念的悲剧也是在预料之中的:假如预期之中的革命真的发生了,而人心并没有改变,那么新世界依然是那个不平等的史前历史的旧世界。

一一沃格林《灵知社会主义》


图1. 力学革命 | 文小刚

第一次物理学革命,被称为“力学革命”,统一了地上的苹果下落和天上的行星运动。新的观念是物质即粒子,用牛顿定理来描述,发明了万有引力理论,引入的新数学是微积分。

图2. 电磁革命 | 文小刚

第二次革命被称为“电磁革命”,统一了电、磁、光,新观念是存在一种波形式的物质。引发了粒子形式物质之间的电磁作用,可以用麦克斯韦方程来描述,引入的新数学是规范理论中的纤维丛。

图3. 相对论革命 | 文小刚

第三次革命被称为“相对论革命”,统一了时间、空间和引力作用。新观念是没有独立的时间和独立的空间,而是统一的时空,时空动态一定程度上等同于以波形式存在的物质,时空的弯曲导出引力作用,传播的速度等于光的极限速度,即引力波。用广义相对论来描述。引入的新数学是黎曼几何。

图3. 第一次子革命 | 文小刚

第四次革命被称为“量子革命”,统一了原子光谱、黑体辐射,解释了双缝干涉。新观念是波粒等价。引入的新数学是线性代数和张量积。

不过,这几次革命都是铺垫,重头戏是接下来要讲的第二次量子革命,可以称为“文小刚革命”,统一了信息和物质。我们过去认为信息和物质是两个完全不同的东西,而信息是物质所携带的属性。但这次革命完成之后,观念会发生变化,信息并不只是一种属性,而是物质本身就是由信息构成,物质即信息。

关于物质即信息的这个思想倒是由来已久,流传最为广泛的当属惠勒的 it from bit,万物源于比特。薛定谔在生命是什么中,曾将生命规定为信息(热力学的信息定义略有不同)。霍金后来在描述黑洞的时候,曾提出“信息不守恒”这个基本问题,由此引发了三次黑洞战争

不过,文的出发点确实略有不同。




2. 格点模型




开尔文曾说过,十九世纪末,物理学的大厦已经建立,晴朗天空中远处飘浮着两朵令人不安的乌云。后来这两朵乌云,催生了现代理论物理的两大支柱,相对论和量子力学(即文的第三次和第四次物理学革命)相对论描述宏观,而量子力学描述微观。所以,物理学家一直致力于将两者统一起来

尝试其实有很多,一种有趣的思路是时空的量子化。将时空细分细分再细分到微观尺度,从而成为一种叫做因果集合的细小结构,它组成宏观的时空。其中最为激进的方案叫做因果动力学三角化。使用一种所谓的富勒方法:时空几何由大量的的基本元素构成,每个元素代表着一个简单的因果过程。这些元素如何堆砌,由几个简单的法则决定;每一个这种量子时空模型的量子力学几率,由一个简单的公式来计算。每一个量子时空都必须看做是前后相接的可能空间的序列,犹如世界时钟的一个个瞬间。时间坐标是任意的,与广义相对论一样,但不同的是,世界历史不能看作是一个时间上前后相接的几何序列。经典时空由此突现而来。

另一种流行的方法是弦论。用振动的弦代替粒子和波,作为物质组成的基本单元。弦的不同的振动模式形成不同的粒子。

圈量子是另一套有效的理论。用自旋泡沫作为时空的底层描述,这是一个拓扑结构。经典时空相当于自旋泡沫的叠加(广义费曼图)。自旋泡沫的边界是自旋网络,相当于一种量子几何描述。

不过,自旋泡沫准确的说是空间的量子化。时间在圈量子中,有一个热时间的理论。基本思想是广义相对论与量子力学在时间概念上冲突。解决这个冲突的方法是建立一个没有时间概念的量子力学,然而再去观察它是否可以与描述宇宙的广义相对论相协调。量子力学可以重新在时间无关的前提下重新建构,所以在量子尺度的微观世界里,时间就不再存在。这就是热时间假设。采用这种方法,时间是通过可见宇宙的统计平均而涌现的,这同分子运动的平均产生温度相类似。

文模型(即Levin-Wen模型)实际上是一个广义的格点模型。一般来说格点是场论中的一种方法,非微扰的时候,无穷维的积分不知道怎么算,所以,取场论中的格点的值,就变得可以算了。场论的中心思想是把高能的格点信息去掉,完备情况下,低能跟高能的细节没有关系,不完备的时候,还得把格点放进去。传统的观念是,场论是根本,格点是技巧。但文认为,不是场论更根本,而是格点更为根本。而场论是格点模型的低能有效理论。

如果以格点(或者叫量子比特海)作为组成物质的基础,那么就得解释现代物理学中观察到的现象,建立用格点导出现有微观、宏观理论的数学体系。为了方便理解,以水来类比,光可以看作是格点的波动,类似于水波;水的另外一种形变,气泡,就可以看作是电子;水中还有涡旋,涡旋就可能对应于夸克。格点的不同形态对应于不同的基本粒子。

图5. 八种宇宙奇迹 | 文小刚

文模型能解释前七种奇迹,目前只有第八种的数学基础还没有完成。用一种弦液体(或弦网液体,即格点的结构,弦的线性叠加)来生成各种基本物理理论,比如麦克斯韦方程、Yang-Mills方程。开弦就是粒子引入的新数学就是,融合范畴学,fusion category;以及张量范畴学

文的空间还是爱因斯坦式的,空间不空,它不是物质的背景,我们能看到所有的自然现象,都是空间的性质。空间可以变形,可以有缺陷,形变和缺陷就是我们看到的各种基本粒子,就是物质。物质是空间内部性质的一种反映。可以利用格点模型解释空间所有的性质。

标准模型其实是目前物理学界最公认的稳定理论。但实际上,标准模型并没有一个严格的理论定义。有的只是微扰展开。标准模型、很多场论的微扰展开有严格定义,跟实验的比较都是根据标准模型的微扰展开来的。但微扰展开不收敛,算10阶没问题,但100阶就发散了。

因果集其实是一种时空离散化的技巧。不过现代物理大部分不认可将时空作为框架,而是认为时空是由框架导出的,一定情况下,可由某种数学公式导出。时空的几何结构包含了一个事件引发另一个事件的信息,这就是时空的因果结构。因果与时空等价。如果时空是涌现的,那么因果也不是更基本的结构。

早期的弦论还是还原式的。物质可以细分细分再细分。细分为粒子,然后再细分为弦。在弦的运动模式形成里粒子。原则上,超弦主流认为是可以产生爱因斯坦理论的。但仍需要给出更为严格的定义,比如哈密顿量的希尔伯特空间是几维,大的矩阵的量是长什么样。这样可以直接放进计算机中进行计算。




3. 长程量子纠缠




文模型的核心是一种叫做长程量子纠缠的结构,用来描写格点的一种性质,即由许多格点构成的一根弦,它们之间有共同运动方式,不是分离的而是纠缠在一起。弦网是一种通俗的语言对于长程纠缠的描写

格点之间如果是短程或者局部的作用的话,基本理论如麦克斯韦方程、Yang-Mills方程,以及粒子都出不来。这就是为什么过去格点模型并不算成功。文引入了长程纠缠,实则是为了导出现有基本理论的需要。至于格点的特性为何产生长程纠缠,目前还不是重点。

文其实也重新定义了“拓扑”,拓扑不再是传统的球和甜甜圈的拓扑。拓扑就是纠缠。算是一种对抗任何局域扰动的稳定性


一个有高度量子纠缠的复杂量子物态,其内部结构非常复杂,很难看清楚这一内部结构到底长什么样,只能说像一团乱麻或者像一锅粥。把一个复杂的量子物态,放到球面环面等具有不同拓扑的空间上。然后测量这些复杂量子物态的能量最低态的数目。这些数目表现为空间拓扑结构,它与量子物态中的纠缠结构有关。这种对量子物态中纠缠结构的定量描写导致了拓扑序的概念和理论

拓扑序就是看清楚纠缠而引入的。热力学中有一个“熵”的概念,衡量一个热力学系统的混乱度。在动力系统之中,往往伴随拓扑空间的映射,也就是一个动力学系统的轨道集合问题。衡量轨道复杂性的理论被称为拓扑熵,通过拓扑空间测度来给出。拓扑序也可以这样类比,用拓扑熵的不变量来刻画拓扑序,通过von Neumann纠缠熵衍生给出。有了拓扑序之后,相当于一锅粥变成了一锅面条。btw,之前流行的拓扑绝缘体没有拓扑序。

张量网络就是描写长程纠缠(拓扑序)的数学框架。即没有办法通过局部变换变成直积。张量网络就是一种广义的路径积分描述,包含着一种对重整化群的推广。或者用文的另一个称呼,量子电路。

从这里看来,其实文的思想有点倾向于空间整体论,有点类似玻姆

当然,格点如何发生长程相互作用,对抗局部扰动形成稳定性。这就是后话了。




4. 凝聚态




文是一位凝聚态物理学家。凝聚态物理主要研究微观和物性,一种说法是主要研究结构。最开始是由固体物理学和低温物理学发展起来的。玻色-爱因斯坦凝聚态早在二战前就成熟了,但到了80年代才有较为完整的理论。1972年Anderson的《More Is Different》是一个标志性的进展。“外行”安德森在这个领域做了大量的工作。“莫特转变”。然后超流和超导。直至拓扑绝缘体(文:没有拓扑序,但有对称保护序的量子物态)。凝聚态物理成为显学。

图6. 生活大爆炸中的谢耳朵在加州理工讲拓扑绝缘体,btw,纪念下张首晟先生

凝聚态不再是一个物性研究(文仍然这么认为,所以说洛伦兹对称性不是他的研究范畴)从微观到宏观的整个领域,都属于凝聚态物理

某种程度上说,微观如何过渡到宏观(或者说如何构成、涌现宏观的过程),与微观世界的规律本身,同样重要。




5. 量子比特与泛计算主义




很难不将文小刚模型跟泛计算主义联系起来,虽然这未必是文提到量子比特的本意。

如果所有的基础物理理论都可以用一种格点模型描述,时空及其现象,都可以用一种格点模型解释,那么宇宙是一台正在运行的计算机,物质本质上是计算,似乎就是不证自明的。

文的模型同样可以启发元胞自动机。Werbos在一次Stephen Wolfram拜访NSF讲起元胞模型的时候建议过他,可以在元胞中每个节点引入一个组织方式如“wheel”,由一组从单位球体中取出的矢量,或更高维的张量,在球体上而不是线上定义拓扑约束,联结涨落。根据文的模型,可能那仍然是行不通的,可以还是应该引入张量和长程相互作用,而不是根据周边元胞状态的局部相互作用。

泛计算论的根本问题还是判定问题。因为如果取消了物理层的底部的基本粒子层次,格点就是纯粹数学的了。具体和抽象就不再是对立的,而是,具体成了一层特殊的抽象层。这就逃不过哥德尔定理。自指的方案是不是可接受,还未可知。




6. 无底层论




“无底层论”是Exοφία在《从康德哲学到通往现代物理学之路》中谈到的,本节中“因果”与本文无关,是康德第一批判的遗留词汇,可以直接忽略。


相反,在一个无限被分联了的有机体那里,整体恰好由这个概念已经表现为划分了的,而各部分的一个本身自在地被确定了的但却是无限的数量是先于一切对分割的回素而在整体中被发现的,由此我们就与自己本身相矛盾了:因为这个无限的进展被看作一个永远也不能完成的序列(无限的),然而却在一个总计中被看作完成了。
一一康德

无底层的观点最早是由诺贝尔奖得主汉斯·德莫尔特提出来的,其具体的含义是,物理学的过程不存在最底部的基本粒子层次,也即物质的因果作用过程在空间中是无限可分的。布洛克引用德莫尔特的观点,是为了反驳金在权的“因果排他性论证“。根据”因果排他性“论证,因为宏观现象都可以还原且同一于微观过程,则所有的宏观因果作用都被归结为随附于微观而产生的幻觉。该理论在物理学上的致命困难是,它将时间箭头所依赖的热力学第二定律还原为动力学,从而取消了热力学效果的实在性,也就取消了真实时间的实在性。为了保证宏观因果作用的有效性,布洛克用该原理表明,既然如果不存在最底层的因果过程,那么诉诸绝对还原论的”因果排他性论证“将被归结于无效,而由此每一层宏观现象都将获得相对独立的因果效力。可以非常明显的看到,布洛克在这里的论证同康德如出一辙,由于空间的分割是无穷倒退的二律背反,那么将部分作为整体的绝对原因的序列就将成为恶无限性的无穷进展,而此时因果效力将赋予康德所说的整体的有机联系本身。

原则上,长程纠缠取消了定域性,量子力学的随机就被取消了(当然,还有Jürgen Schmidhuber这样根本不承认量子力学的真随机的。真随机就得采用其他替代的方案。

无底层就可以是一种替代方案。

随机是测量问题,任何数据的获得都是一个系统对另一个系统的,而系统被测量前没有数据,这样在一个无底层的体系,数据不允许无穷精确。只要没有精确数据,复杂就是真正的是随机。简单系统的随机里的互相抵消了,可以忽略。复杂放大这种非精确性,就是真随机了。

对一个系统来说,相互作用的个体的增加(比如格点)带来更高的整体复杂度,复杂度的增加级数远高于个体的增加(Chaitin)。所以,随机是复杂度增速的外貌。




7. 新代数思想




文小刚老师的数学哲学是相对比较朴素的。

自牛顿以来,我们都是用分析的眼光看世界,用连续流形、连续场来描写物理现象。特别是爱因斯坦的广义相对论,它是如此的漂亮自然,大家都认为它抓住了宇宙的本质。之后,以几何的眼光看世界成为物理的主流。在这个思路下,物理学家发展了规范场论、量子场论,以及描写所有基本粒子的标准模型。

但完美主流的几何的眼光,并不一定是认识世界的正确方法。从量子革命以来,我们越来越意识到,我们的世界不是连续的,而是离散的。我们应该用代数的眼光看世界。连续的分析,仅仅是离散的代数的一个幻象。就像连续的流体,是许许多多一个个分子集体运动的幻象。这种以代数的眼光看世界的新思想,将颠覆很多目前的主流物理理论,带来物理的第二次量子革命。某种意义上,建立在几何思路之上的广义相对论、规范场论、量子场论太漂亮太完美了,让我们误以为它抓住了宇宙的本质,误导了我们一百多年。

有趣的是,这100多年来,近代数学发展的一条脉络也正是从连续到离散、从分析到代数的脉络,也提出了离散的代数是比连续的分析更本质的观点。60年代由Grothendieck学派发展出来的代数几何理论正是这种思想的代表,代数几何可以看作是实现了连续和离散的统一的几何理论。这和物理学从经典到量子的发展一一相应。而实现统一的语言当然是代数的,更准确的说,是一个超越了集合论的、全新的数学语言,也是代数几何的基础语言:范畴学

40年代Eilenberg和Mac Lane发展了范畴学,60年代Grothendieck在此基础上发展了代数几何。

这算是文的新代数思想。确实,一般数学中也分派系几何通常源于空间的直觉,而代数是时间。前者总是连续的,而代数一开始就是就是离散数量的知识。这造成了无理数的发现以来两种对立的派系,纠缠至今。我们可以称之为连续派和离散派,简称连派和离派。阿蒂亚爵士曾经指出两边的代表人物。连派阵营,即倾向于几何精神的是牛顿-庞加莱-阿诺德;离派阵营,即倾向于抽象代数的是莱布尼兹-希尔伯特-布尔巴基。

不过这只是倾向性的,代数和几何的翻译早就在了。




8. 结语




文模型应该是足够开创性了,但真正要在格点模型上导出爱因斯坦方程,可能还需要很长一段路要走。文自己也说他的模型本质上还是属于量子力学,是否能联系宏观的时空理论,还不能完全确定。

那么,就让我们拭目以待。



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