如何掌握宇宙？| 凯风-集智研读营笔记之一
作者简介
王雄 深圳大学高等研究院任研究员，集智科学家。主持混沌量化投资实验室，从事复杂性科学与量化投资研究与教学。自大学时代起，一直坚持研究自然规律的统一性与复杂性两个科学的极致问题。
一沙一世界，一花一天堂
无限掌中置，刹那成永恒
2016.10.13
于北京古北水镇
祝贺文小刚老师获得获凝聚态物理最高奖巴克利奖！
文小刚老师等人认为，量子纠缠可以演生出标准模型中的手征费米子。整个标准模型，所有的基本粒子，都有可能从纠缠的量子信息中演生出来。这代表了一个统一信息和物质的超大统一理论。
广义相对论与粒子物理标准模型
在过去的几百年内，我们对宇宙的图景，不管是在微观尺度还是宏观尺度，都发生了巨变。在大尺度上，我们起初以为银河系就是整个宇宙，在这个宇宙中包含着许多的恒星和星云，并且由牛顿力学支配着。直到爱因斯坦、哈勃等人的出现，他们让我们意识到银河系只不过是数千亿星系中的沧海一粟，而这个浩瀚的宇宙是由广义相对论所支配。宇宙的年龄可以一直追溯回138亿年，而可观测的宇宙直径大约为920亿光年，这其中充满了普通物质（由物质构成，而不是由反物质构成）、暗物质和暗能量。
另一方面，我们对微观尺度的了解也发生了革命性的改变。一开始，我们只知道宇宙是由原子核、电子和光子组成的，基本相互作用也只知道引力和电磁力（爱因斯坦晚年的目标就是统一这两种力）。后来，我们对最小的粒子有了更基本、更深刻的理解。原子核其实是由质子和中子组成，而它们二者又是由夸克和胶子构成。我们现在也知道有两种类型的核力，一种是强核力，一种是弱核力。基本粒子也有三代，包括轻子和夸克。我们也有支配强核力、弱核力和电磁力的规范玻色子以及希格斯玻色子。所有这些放到一起就是粒子物理学标准模型。这样就构成了一个庞杂而跟实验相当吻合的标准模型：夸克（quarks）和轻子（leptons）共有三代，它们都是自旋为1/2的基本粒子；规范玻色子是传递基本相互作用的媒介粒子（比如电磁力又光子传递），它们的自旋都为整数；希格斯玻色子是自旋为0的粒子。
粒子物理学标准模型
这两套东西都没有完成，没有人相信标准模型是一个完成了的模型，大家都期待一个更深刻和统一的框架，而暗能量的存在也让人相信广义相对论也是需要某种革新，而且广义相对论与量子场论存在着不可调和的本质的矛盾。
这些统一也许需要引入更多更丰富的内容才能达成，比如信息，信息与物质的统一。而这种统一需要吸收除了相对论和量子力学之外的学科里的各种营养，包括凝聚态。
重新认识凝聚态：复杂性研究的成功典范
我对凝聚态物理学（condensed matter physics）的理解，一直以为就是关注磁性、超导、特殊材料效应，等等，一直只是认为它是固体物理学的延伸，就是研究凝聚态物质的物理性质与微观结构以及它们之间的关系，即通过研究构成凝聚态物质的电子、离子、原子及分子的运动形态和规律的学科。其实这些年凝聚态的发展，其研究层次，从宏观、介观到微观，进一步从微观层次统一认识各种凝聚态物理现象；物质维数从三维到低维和分数维；结构从周期到非周期和准周期，完整到不完整和近完整；外界环境从常规条件到极端条件和多种极端条件交叉作用。但我发现凝聚态原来不仅仅止于特殊物态材料的研究，特别是文小刚为代表的，借助凝聚态来理解基本粒子和时空这些更深刻的东西，产生了很多很有趣且深刻的类比，乃至发展出一套复杂性科学的涌现的世界观。
万物源于量子信息吗？
曾经有关于it与bit的讨论，记得之前在fqxi一期论文讨论的题目就是it and bit, 我对信息的理解是，Bit from breaking symmetry of it。文小刚老师写了一篇很好的文章是it from qbit，就是写量子纠缠衍生出万物与空间，认为万物 （基本粒子及空间 ）源于量子比特，空间是量子比特的 “海洋”，基本粒子是量子比特的波动涡旋，基本粒子的性质和规律则起源于量子比特海中量子比特的组织结构（即量子比特的序）。
这一套做法最吸引人的地方是，非常自然地给光子和电子一个统一的物理图像，可以说是统一了玻色子与费米子。要统一光子和电子，这好像很困难，因为一个是玻色子，一个是费米子，差太远了。但文小刚认为，如果量子比特海中的量子比特有一种叫 “长程量子纠缠”的现象，这时量子比特海中的波就可以是光波，量子比特海中的“涡旋”就可以是电子，不仅统一了光子与电子，也统一了电磁相互作用与费米统计！标准的教科书不会将光和电子放在一起讨论。但弦网液体的图画就不同了，光与电子其实是一样东西的两方面。中心对象是弦，光是弦的运动，而电子便是弦的末端。光与电子弦网图画，不仅可以解释光的横向偏振性以及电子的电荷，它甚至可以解释电子的费米统计。
来自凝聚态的启发：粒子与准粒子
要理解物质和空间是如何从所谓的信息中“涌现”的，我们需要从凝聚态发展的过程一步步来理解。凝聚态的最初的目标也许并没有想解释粒子物理，但是准粒子的发现是一个颠覆。准粒子类似于在相互作用粒子系统中的一个实体，当实体中的一个粒子在系统中穿行并朝着一定方向运动，环绕该粒子的其它粒子云因为其间的相互作用而脱离原有的运动轨迹，或者“被拖拽着向某个方向运动”，从宏观上看来 ，这一系统就像一个自由运动着的整体，也就是一个“准粒子”。声子（Phonon）是晶体中晶体结构集体激发的准粒子，化学势为零，服从玻色-爱因斯坦统计，是一种玻色子。声子本身并不具有物理动量，但是携带有准动量，并具有能量，根据南部-戈德斯通定理，任何连续性整体对称性的自发破缺，必然对应一个零质量的玻色子。声子就是平移对称性被晶格的点阵结构自发破缺以后对应的玻色子。声子与电子的相互作用，是导致BCS超导的关键机制。还有更加神奇的，自旋子（spinon）是一种准粒子，是电子出现电荷自旋分离（spin–charge separation）现象时分裂成的三种准粒子之一（另两种为空穴子与轨道子）。一维关联电子系统中因负电荷之间显著的排斥作用而出现电荷自旋分离。2009年剑桥大学与伯明翰大学的研究发现，金属板上的电子因量子隧穿效应跳跃到量子线上并分裂为两个准粒子，分别为携带电子自旋性质的自旋子与携带电荷的空穴子。2011年进一步的研究发现，在X射线照射下Sr2CuO3中铜原子的电子会跃迁到高能轨道，并分裂成自旋子与携带轨道位的轨道子。
这些奇怪的在特殊材料结构中涌现出来的“粒子”让人猜测，粒子物理所谓的基本粒子是否也是宇宙时空这个材料中的某种涌现。这当然是凝聚态物理学家才敢做出的疯狂猜想，因为这里似乎是有一个逻辑循环，如果按照粒子物理学家认为的，基本粒子就是宇宙的根基，那么基本粒子如夸克轻子组成材料，材料再演生“准粒子”，这些准粒子可否继续演生下一阶的准粒子？我认为这不仅仅是一种所谓的涌现的世界观，也许能真的帮助理解更多“基本粒子”的整体性。总归我个人相信，一套更加整体的非线性的描述是必须的，粒子只是一个过分线性化简化的图像。
不同材料即是不同宇宙 ：一花一世界
凝聚态的基本观点是，不同的材料内部的组织结构决定了材料能承载的不同的波，而波粒统一，也就是决定了不同的粒子。液体、晶体和弦网液体这三种粒子的组织。我们也可以将这三种形态看作为三个不同的宇宙。试想像可能在某个其他的宇宙里，真空就是像海洋的液体。在这个宇宙里，“光”被看作为液体里波的密度。如果在这儿做实验，我们将不会看到双折射，因为“光”在这里只有一个纵模。但假如在另一个宇宙里，真空是晶体。在这个宇宙里，“光”会有三种偏振（一个纵模两个横模），所以应该会发生三折射（triple refraction）。回到我们的宇宙里，光只有两种偏振，所以我们只有双折射。我们观测到的双折射说明，我们的真空不是液体，也不是晶体，而是“一碗面条汤”（弦网液体）。
弦网液体给予了我们一个不同的视角来看世界。在弦网图画中，真空就是弦网液体、弦的密度波就是光波、弦的末端就是电子和夸克。电子和夸克可以形成原子，而原子可组合成各式各样的东西，如玻璃细胞和地球，或者是一些会思考光和电子的起源问题的智慧生物。上帝说：让光出现，我们有了光明。物理学家说：让弦网液体出现，我们有了光和物质。可以说，演生原理，及其对光和电子的统一，开拓了人类探索科学的疆界和视野，让我们可以不断站在新的科学前沿，尝试揭开宇宙的奥秘。
长程量子纠缠
在这一套图像中，所谓的“长程量子纠缠”起到了很关键的作用，需要再具体去搞搞懂。首先，长程量子纠缠是凝聚态物理里新的物质态起源。其次，它又可能是基本粒子的起源。这是因为我们可以把真空本身看作一种物质态，一种很特殊的、高度纠缠的物质态。第三，它还和量子计算机有关，因为长程量子纠缠可作为量子计算的理想媒介。最后，它又跟现代数学有关，因为量子纠缠需要新的数学。长程量子纠缠需要的新数学，在数学里也重要。“科学突破奖 ”（Breakthrough Prize） 2014年首次颁发给数学家。一共 5名获奖人，每人三百万美元奖金。其中一位是雅各•劳瑞 （Jacob Lurie）。他得奖的工作叫 higher category theory（大约可译作“高维范畴理论 ”），或者叫作 n-category theory（“n维范畴理论” ）。这可能跟我们想要的数学有关。但是这一数学，连大部分数学家都不做，是数学里的一个很高深的小分支。
无限掌中置，刹那成永恒
在凝聚态物理学，我们对液体和晶体这两种粒子组织十分熟悉。有很多材料可实现这这两种组织。如液态组织可通过液氦（Helium）来实现，晶态组织可通过硅 (Silicon) 晶体来实现。但在现时的凝聚态物理学研究中，我们遇到一个重大的挑战：寻找一种材料可以实现弦网液体。但可惜我们至今还未发现这种物质。如果你能找到这种材料，将会是很有趣的事情，因为这种材料将与我们的真空极相似。当你手里拿着这种材料，你就“掌握”了一个模型小宇宙。
仔细想一想这也许是一个很神奇的事情，这个玩具宇宙里能产生各种粒子有他们的标准模型吗？这个小宇宙中能有什么样的复杂演化？会否有他们的智慧生命产生？这个也不是不可能的我们的虚拟计算机世界不过就是芯片存贮的硅的世界里的小宇宙，只不过我们可以把这个小宇宙中的样子通过计算机程序呈现可视化出来。我们本身的宇宙时空会是一种什么材料呢？会不会被更高维的智慧生命所掌握呢？
更实际的意义是，由于我们没有希望在真实宇宙中观察到接近普朗克尺度的现象，因为这个远超过对撞机所能达到的能标。所以我想，与其花那么大力气去做对撞机，不如从小处着手，研究材料，看这个toy universe玩具宇宙中相对应的“接近普朗克尺度”的效应，也许在这种特殊我们可以掌握的材料里去研究“接近普朗克尺度”的效应变得易如反掌了。
如果做到了，这就是传说中的，一沙一世界，一花一天堂；无限掌中置，刹那成永恒。
一个统一信息和物质的超大统一正在到来！
编辑：wangting
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