出品科學家說欄目組 第23期

　　作者網易科技 崔玉賢

　　【他是誰】

　　文小剛，中國科學技術大學物理系本科畢業，普林斯頓大學博士畢業。目前他是麻省理工學院(MIT)教授，主要從事量子霍爾液體、高溫超導體、拓撲序/量子序及新的物質態，基本粒子的起源的方面的研究。2016年美國物理學會宣布，文小剛獲2017年凝聚態物理最高獎巴克利獎。

　　【精彩言論】

　　1、在做創新研究時，要大膽的向前走，不要怕邏輯上的欠缺、甚至是失誤。因為邏輯上的問題，總可以回過頭來修補。如果你沒有大膽的猜測幻想什么東西，那連修補的機會都沒有。

　　2、基礎科學的目標，是開拓知識的疆界，把未知變成已知。所謂的未知就是連名字、連問題都沒有的未知。做科學研究，我們要清楚地意識到，還有沒寫出來的理論，還有沒有名字的未知。這些才是創新研究的目標。

　　3、最基礎的科學研究是打造新的知識框架。做這一類的科學研究，不能用解習題的心態。而是要跟著感覺走，追求自己心中所認知的美，滿足自己天生的好奇心。

　　4、我很希望中國的學術評估體系(包括入職提職和科研經費)能夠支持這些以好奇心推動的“無用”科學研究。其實我們現在最有用的科學成果、都是通過這些當時“無用”的科學研究得來的。

　　5、大量的標準人才，對工程技術的發展會非常有用。但對以創新為目標的基礎科學研究，則很不合適。

　　6、別人研究科研得諾獎，我們研究諾獎做科研。追求諾獎討論諾獎只會讓我們離諾獎越來越遠。

　　【正文】

　　在1989前，人們還不知道應該用怎樣一個名字描寫已經發現的量子霍爾效應以及當時沒有發現的量子自旋液體。1989年，文小剛首次提出了“拓撲序”概念，描述了上述現象，但此后十多年，因為新的量子自旋液體和非阿貝爾物質態，一直沒有被實驗實現，“拓撲序”這個概念并沒有得到廣泛認可，直到1999年之后，才成為現在凝聚態物理研究的主流。

　　對于這種“前無古人”的研究，才是文小剛所追求的基礎科學創新。他總是讓自己的研究跟著感覺走，保持天生的好奇心，追求自己心中所認知的美。他曾經說過“新穎比真實更重要，鼓勵大膽的猜測”，是因為他認為在做創新研究時，要大膽的向前走，不要怕邏輯上的欠缺，甚至是失誤。因為邏輯上的問題，總可以回過頭來修補，但如果沒有大膽的猜測，那連修補的機會都沒有了。

　　文小剛的研究，關鍵部分主要都是猜測，用他的話來說，就是東猜猜西猜猜，不停的猜。他會讓自己的想象和聯想天馬行空，自有奔馳。因此，文小剛有個別稱“藝術物理學家”。他是老子的粉絲，喜歡從自然科學的角度來看老子的思想。比如老子說的“道可道，非常道。”文小剛認為，能夠寫出來的理論，都受寫理論的預言、數學限制，做科學研究，要清楚地意識到，還有沒寫出來的理論，還有沒有名字的未知，這些才是創新研究的目標。

　　這是文小剛一直強調的，基礎科學的目標，是開拓知識的疆界，把未知變成已知。所謂的未知就是連名字、連問題都沒有的未知。

　　“但最基礎的科學研究是打造新的知識框架。做這一類的科學研究，不能用解習題的心態。而是要跟著感覺走。我很希望中國的學術評估體系(包括入職提職和科研經費)能夠支持這些以好奇心推動的’無用’科學研究。其實我們現在最有用的科學成果、都是通過這些當時’無用’的科學研究得來的。”文小剛認為。

　　以下為網易科技對文小剛教授部分采訪內容：

　　1、我們都知道您最早提出了“拓撲序”這個概念，但對于大眾來說可能稍微熟知拓撲絕緣體的概念，您能稍微解釋一下二者的關系嗎？

　　拓撲序的概念是我在1989年提出來的。拓撲絕緣體的概念是Kane和Mele在2006年提出來的。拓撲序的概念描寫了當時已經發現的量子霍爾效應，也刻畫了當時還沒有發現的量子自旋液體。并導致了1991年、在理論上發現的、可以用于量子計算的、非阿貝爾拓撲物質態。但拓撲序的概念提出后，新的量子自旋液體和非阿貝爾物質態，一直沒有被實驗實現。所以拓撲序概念提出后，十多年來，并沒有得到廣泛的認可。直到1999年之后，才慢慢的成為現在凝聚態物理研究的一個主流。

　　而拓撲絕緣體的經歷就很不相同。2006年二維拓撲絕緣體的概念提出之后，很快就在實驗上被實現。(這個實驗實現，是德國的一個實驗組和張首晟一起做的。)緊接著三維拓撲絕緣體也在理論中提出，并很快在實驗中實現。由于這些原因，拓撲絕緣體很快成為凝聚態物理研究的一個主流。

　　拓撲序是比拓撲絕緣體，更加稀奇古怪，更加豐富的物質態。拓撲序中，存在分數電荷，分數統計，還有非阿貝爾統計。最后這一性質可以用來做通用拓撲量子計算。拓撲序還有零電阻的邊界態。

　　而拓撲絕緣體沒有這些分數化的元激發。不能用來做通用拓撲量子計算。但拓撲絕緣體也有接近于零電阻的邊界態。這些拓撲序和拓撲絕緣體的邊界態可以用來做各種各樣的電子器件。

　　其實，拓撲絕緣體一開始的研究，受拓撲序的影響，主要是圍繞其邊界態來做的。Kane和Mele的文章還不太準確地把他們的新發現稱之為一種拓撲序。后來有了進一步的理解之后，大家才起了拓撲絕緣體這個新名字以示區別。

　　2、您說過，新穎比真實更重要，鼓勵大膽的猜測。您在提出拓撲序這個概念時，也是面臨著前無古人的一個現象。您是如何大膽的提出這個概念，為何是這樣的一個命名？

　　我說過新穎比正確更重要。我想表達的意思是在做創新研究時，要大膽的向前走，不要怕邏輯上的欠缺、甚至是失誤。因為邏輯上的問題，總可以回過頭來修補。如果你沒有大膽的猜測幻想什么東西，那連修補的機會都沒有。我個人做研究，關鍵部分主要都是猜。東猜猜西猜猜，不停的猜。

　　當你發現一個新東西的時候，總要起一個新名字。能夠遇到起新名字的機會，是一個科學工作者的福氣。拓撲序這個名字是受我博士導師Witten的影響。他當時做了一個拓撲場論的工作。

　　3、您曾經說科學的目標不是解決問題，而是開拓知識。但是，現在很多科學研究的經費支持都需要闡述其影響和作用。您如何看待這個問題？

　　基礎科學的目標，是開拓知識的疆界，把未知變成已知。所謂的未知就是連名字、連問題都沒有的未知。所以申請基礎研究的經費的時候，你沒法說，你要發現什么東西，解決什么問題。因為這些東西、這些問題的名字，是你做研究之后的成果。

　　在你進行研究之前，這些未知連名字都沒有。一個連名字都沒有的東西，更無法論述它的影響和作用。以此形成反差的是、工程技術的研究常常是解決一個已知的問題。問題名字都有了，知識框架都有了，就是答案還不知道。這有點像學生解習題，在現有的知識框架中求得一個問題的答案。

　　但最基礎的科學研究是打造新的知識框架。做這一類的科學研究，不能用解習題的心態。而是要跟著感覺走，追求自己心中所認知的美，滿足自己天生的好奇心。我很希望中國的學術評估體系(包括入職提職和科研經費)能夠支持這些以好奇心推動的“無用”科學研究。其實我們現在最有用的科學成果、都是通過這些當時“無用”的科學研究得來的。

　　4、您是老子的粉絲，他的哪些思想對您的研究有了啟發？

　　我是從自然科學的角度，來看老子的思想。我覺得老子的思想，是關于科學理論的理論。他鼓勵人們，用新的角度，新的視野，新的高度，來觀察探索世界。

　　比如老子說道可道，非常道。我理解為，能夠寫出來的理論，都受寫理論的語言，數學限制，而不是終極理論。名可名，非常名：能夠講出來的東西，受語言限制，也不會是所有的東西。做科學研究，我們要清楚地意識到，還有沒寫出來的理論，還有沒有名字的未知。這些才是創新研究的目標。

　　5、如何讓青少年對科學感興趣，而不是感到科學是個枯燥乏味的課程。

　　我覺得好奇心是天生的。我自己是在文革中受到中小學教育。幸運的是我的好奇心、沒有被繁重的考試習題所抹殺。我從小就對物理數學感興趣。上小學的時候，父母很多同事經常給我出趣味數學題，口算心算不用紙筆。“文革”時期，學校里學不到什么東西，放學以后有大量的時間，我就在家和小朋友一起砸電池或其它一切能砸的東西，還做火藥、修自行車、做模型飛機、裝收音機、做穩壓電源，還有蒸饅頭等等。那時科學方面的書非常非常少。只有《十萬個為什么》、《科學小實驗》、《怎樣組裝晶體管收音機》和《赤腳醫生手冊》。我想當時喜歡科學的學生都讀過這些書。那時對什么東西都好奇，好奇的結果就是把它砸開來，看看里頭有什么。

　　文革后上大學，喜歡看一些課外科學書籍。看也看不懂，只好瞎猜。這正好養成了我喜歡猜的習慣。對我做科研非常重要。

　　6、現在量子計算、量子通信的概念非常火，與您現在的研究有怎樣的聯系？您如何看待目前中國的量子信息技術的發展？

　　我個人沒有在量子計算量子通信方面做工作。但我做的拓撲序工作，是Freedman和Kitaev提出的拓撲量子計算的基礎。(1989年我開始做拓撲序的時候，量子計算這個領域還沒有起飛。)

　　我個人覺得，在世界范圍內，量子計算和量子通訊還在基礎科研階段。要做出和經典計算機和經典加密通訊一樣有用的量子計算機和量子通訊，還有很長的路要走。現在做一個東西，再把它叫做量子計算機，不是一件很難的事。但要讓做的東西，比經典計算機還要好用還要快，則還有很大的差距。作為基礎研究，我個人覺得發展量子計算機更重要。在這一點上，我比較認同美國的努力方向。量子計算機和量子通訊的工程建設，現在可能還有些早。另外量子計算機量子通訊的工程建設，應該部分由工業界、以商業利益為動機、來推動。

　　7、交叉學科的重要性越來越凸顯，您如何看待交叉學科的這種情況，越來越多的發現會因為交叉學科而起嗎？在專注與交叉學科的平衡上，學生如何處理？

　　的確，交叉學科是非常重要的。我個人讀博士的時候，學的是高能物理的超弦。畢業后，轉行搞凝聚態物理。這一經歷對我的科研工作非常有幫助。

　　拓撲序是在凝聚態物理領域里提出的概念。但它的一個可能的應用是量子信息領域的拓撲量子計算。它還導致了一個基本粒子起源(物質起源)的一個新的世界觀。這個新世界觀的出發點是認為我們的空間、是由量子比特所組成的量子比特海。如果海中的量子比特有一個特定的拓撲序，那么量子比特海的波動，將會表現得和光波一模一樣(既滿足麥克斯韋方程)。量子比特海中的“氣泡”(即缺陷)將表現的跟電子一模一樣(既滿足狄拉克方程)。這是一個利用量子信息，來統一所有物質、以及引力以外所有相互作用的、超大統計理論。

　　拓撲序作為一個以前人們從來沒有意識到的自然現象，它的很多概念都沒有名字，都需要用新的數學來描寫。我們發現，描寫拓撲序的數學語言是非常抽象的張量范疇學和代數拓撲。這是一個凝聚態物理和現代抽象數學的密切交叉。它也反映了、拓撲序甚至能帶給我們對空間本身、更加深刻理解。

　　凝聚態物理，量子信息，高能基本粒子物理，和現代抽象數學的深刻聯系，反映了交叉學科的重要性。更直接的說、是反映了非標準知識的重要性。中國的教育非常有效率。盡量把學生都訓練成掌握標準知識的標準人。大量的標準人才，對工程技術的發展會非常有用。但對以創新為目標的基礎科學研究，則很不合適。做創新研究的人員更需要的是掌握哪些非標準知識。這樣才能夠發現洞察、標準人才意想不到的東西。

　　但什么是非標準知識，如何掌握這些非標準知識？這里沒有標準答案。我只能說跟著自己感覺走，跟著自己的心走，讓自己的好奇心指導自己到底選什么課。喜歡什么就學什么。以自己的好惡，自己的好奇心，打造自己的知識體系。這樣的人才，也許比較合適做基礎科學研究，開拓知識的疆界，發現未知的世界。這樣的教育理念，和中國現有的大學教育理念非常不同。

　　8、馬約拉納費米子的證實前一陣還是很轟動的。我們也第一時間對張首晟教授后來對何慶林也就是王康隆教授團隊進行了報道，對于科學發現的歸功的爭論問題，您怎么看待？馬約拉納費米子的證實會產生怎樣的意義？

　　馬約拉納費米子的確是物理學家苦苦搜尋了80年的一種粒子。但這里我要指出，大家搜尋八十年的馬約拉納費米子是三維的馬約拉納費米子。但這次發現的馬約拉納費米子是一維手征馬約拉納費米子(也就是說是只能在一條線上往一個方向跑粒子)。這和大家搜尋80年的三維馬約拉納費米子很不一樣。

　　我在1992年，就預言了在一個二維非阿貝爾拓撲序的邊界上，會有一維手征馬約拉納費米子。1999年Read和Green預言了在二維p波超導體的邊界上也有一維手征馬約拉納費米子。這次他們的發現、對應于p波超導體的邊界上的一維手征馬約拉納費米子。可是由于測量手段是間接的，到底有沒有真的發現一維手征馬約拉納費米子，目前還有爭論。最近有兩篇隔天貼出來的論文指出，即使沒有一維手征馬約拉納費米子，也可能出現實驗上觀測到的平臺和曲線。所以這一發現，還需要有更多的實驗，來進一步確認。

　　9、諾獎頒布以后，大家有引起了對中國科學家何時獲得諾獎的討論，您怎么看待這一問題。您曾經離諾獎也非常近。

　　最近我在網上看到了一句話，其大意是：別人研究科研得諾獎，我們研究諾獎做科研。追求諾獎討論諾獎只會讓我們離諾獎越來越遠。

　　快問快答：

　　1、您最敬佩的科學家是誰？

　　很多。包括牛頓，麥克斯韋，愛因斯坦等等。

　　2、提到“科學”您最先想到的是什么關鍵詞？

　　真幻、虛實、有無，他們是互通的。

　　3、您的夢想是什么？

　　希望自己能看得再遠一些，再深一些。

　　4、您感覺做科學研究最需要什么精神？

　　堅持對自己所認知的美的追求。

　　5、做科研最難的是什么？

　　沒有人相信你的時候，還相信自己。

　　6、對想做科學家的人的忠告是什么？

　　保持自己的好奇心，大膽的去猜。

　　7、如果不選擇當初的那個領域，您還會對哪里領域感興趣？

　　也許會去做物理實驗。