温小刚和凝聚态物理材料模拟所有基本粒子

小夏 教育 更新 2024-02-01

温晓刚是著名物理学家,美国国家科学院院士,麻省理工学院终身教授,格林讲座教授。 主要研究方向为:凝聚态物理。 2002年,他当选为美国物理学会会士。 2017年,他获得了美国物理学会颁发的巴克奖。

1977年温考入中国科学技术大学物理系,1981年以全国第一名的成绩通过了CUSPEA(中美联合物理学研究生项目)入学考试,随后前往普林斯顿大学深造,1987年获得普林斯顿大学博士学位。

1 .这很有趣,这是美丽的数学”。

温晓刚在著名的演讲《创新是孩子的游戏》中,详细介绍了他的凝聚态物理新理论的发现过程。

温晓刚说:“1987年研究生毕业后,我从超弦转向凝聚态物理学。 当时,一位凝聚态物理学家同情而怜悯地对我说:现在当我转向凝聚态物理学时,无事可做。 那时候,我是无知的,我没有把它放在心上。 在改变方向后,我最初对高温超导中的量子自旋液体感兴趣,因为我认为它很有趣,因为我认为它在数学上很漂亮,具有挑战性,并且与标准凝聚态物理学的思维方式截然不同。 ”

2 .发现拓扑相(拓扑顺序)。

1989年,温晓刚意识到不同的手性自旋液相可以具有完全的相对称性,这意味着这些差异无法用朗道的对称性破坏理论来区分和描述。 我后来看到的量子霍尔相不能用朗道的对称破坏理论来描述。 这些是以前从未见过的全新物质阶段。 温晓刚把这种新型物质相称为拓扑相(又称物质拓扑状态)。 将物质状态放置在具有不同拓扑连接的空间中,可以检测物质状态的拓扑顺序。 物质的拓扑状态作为一种新的表征:由于物质状态被置于具有不同拓扑连通性的空间中,因此利用基态简并与物质状态的空间拓扑之间的关系来描述物质状态中的拓扑顺序。 但这种新的描绘起初并没有得到认可。

3 .拓扑顺序:高阶类别。

十年后,量子信息成为一个非常繁荣的领域,并开始影响凝聚态物理学。 这时,温小刚发现,物质拓扑态中的拓扑顺序,原来是量子纠缠的不同构型。 “我记得当我在2002年意识到这一点时,我的头脑突然变得清晰,”他回忆道。 对我来说,这是从不知道到不知道,再到知道又不知道的转变,将我对拓扑顺序的理解提升到了一个更高的层次。 我曾经有过“拓扑”这个名字,但我真的不知道什么是拓扑。 ”

后来,温晓刚意识到拓扑阶等于多体量子纠缠的构型。 这种理解导致了基于高阶类别的拓扑顺序理论。 高阶范畴是一个纯粹的数学理论,大多数数学家并不关心,它是一个发展中的理论。 为了系统地描述凝聚态物理学中的拓扑阶数,有必要进一步发展数学中的高阶范畴论。 温晓刚认为,这是自牛顿以来,物理和数学前沿第一次紧密接触。

4 .相互作用、信息和物质:“伟大的统一理论”。

如果空间是具有弦网纠缠结构(一种新型量子以太)的量子比特的海洋,这可以解释所有基本粒子的起源。 这代表了信息和物质的统一。 构成空间的量子比特海洋也是一种具有拓扑顺序的物质拓扑状态。 拓扑顺序及其相应的量子纠缠是光子、电子和所有其他基本粒子的起源。 这在数学上被证明是可能的。 目前标准的大统一理论只统一了三种相互作用。 物质的拓扑状态是一个超大的统一理论,它统一了相互作用、信息和物质。 物质的拓扑态已成为凝聚态物理学中最活跃的前沿领域之一。

最后,温晓刚自信地指出:“人们正在寻找各种材料来实现各种不同的拓扑序列。 如果我们在空间量子比特的海洋中找到一种实现弦网络拓扑顺序的材料,那么这种材料可以模拟所有基本粒子。 有了这些材料,我们可以声称已经掌握了世界。 ”

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