文小剛是著名物理學(xué)家，美國國家科學(xué)院院士，麻省理工學(xué)院終身教授、格林講席教授。主要研究方向?yàn)? 凝聚態(tài)物理學(xué)。2002年當(dāng)選美國物理學(xué)會(huì)會(huì)士;2017年獲得美國物理學(xué)會(huì)頒發(fā)的巴克獎(jiǎng)。

1977年文小剛考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系，1981年以全國第一名的成績通過 CUSPEA(中美聯(lián)合培養(yǎng)物理類研究生計(jì)劃)招生考試，之后到美國普林斯頓大學(xué)深造, 1987年獲得普林斯頓大學(xué)博士學(xué)位。

1 . “它好玩，它的數(shù)學(xué)漂亮”

文小剛在其著名演講《創(chuàng)新就是孩子的游戲》中，較詳細(xì)的介紹了他的凝聚態(tài)物理學(xué)新理論的發(fā)現(xiàn)過程。

文小剛介紹說：“1987年我研究生畢業(yè)以后，從超弦轉(zhuǎn)向凝聚態(tài)物理。當(dāng)時(shí)一個(gè)凝聚態(tài)物理大家，又同情又憐惜地跟我說: 現(xiàn)在轉(zhuǎn)到凝聚態(tài)物理，已經(jīng)沒有什么好做的了。那時(shí)我懵懵懂懂，也沒往心里去。轉(zhuǎn)方向后，我一開始對(duì)高溫超導(dǎo)中的量子自旋液體很感興趣，因?yàn)橛X得它好玩，又因?yàn)橛X得它的數(shù)學(xué)漂亮，有挑戰(zhàn)性，還和標(biāo)準(zhǔn)凝聚態(tài)物理的思路非常不同?！?/p>

2 . 發(fā)現(xiàn)“拓?fù)湎唷?拓?fù)湫?

1989年文小剛意識(shí)到，不同的手征自旋液體相可以具有完全相目的對(duì)稱性, 也就是說這些不同的全不能用朗道的對(duì)稱性破缺理論來區(qū)分描寫。后來看到的量子霍爾相也完全不能用朗道的對(duì)稱性破缺理論來描寫。這些都是全新的以前沒見過的物質(zhì)相。文小剛把這一類新的物質(zhì)相叫做拓?fù)湎?又叫拓?fù)湮飸B(tài))。把一個(gè)物質(zhì)態(tài)放到有不同拓?fù)渎?lián)通的空間中，可以讓探測(cè)物質(zhì)態(tài)中的拓?fù)湫颉Ｍ負(fù)湮飸B(tài)作為一個(gè)新刻畫: 因?yàn)槲镔|(zhì)態(tài)放到有不同拓?fù)溥B通的空間中，利用物質(zhì)態(tài)的基態(tài)簡并度和空間拓?fù)涞年P(guān)系，來描寫物質(zhì)態(tài)中的拓?fù)湫?。可這一全新的刻畫，一開始并不被認(rèn)同。

3 . 拓?fù)湫? 高階范疇學(xué)

十年以后，量子信息成為一個(gè)非常興旺的領(lǐng)域，并開始影響到凝聚態(tài)物理。這時(shí)文小剛發(fā)現(xiàn)拓?fù)湮飸B(tài)中的拓?fù)湫颍瓉砭褪橇孔蛹m纏的不同構(gòu)形。他回憶說“我記得在2002年意識(shí)到這一點(diǎn)時(shí)，我腦子里突然有一種清楚。對(duì)我來說這是從不知道的不知道，到知道的不知道的一次轉(zhuǎn)折，使我對(duì)拓?fù)湫虻睦斫?，更加升高了一個(gè)層次。這以前我雖然起了”拓?fù)湫?#8221;這個(gè)名字，但我并不真正知道拓?fù)湫蚴莻€(gè)什么東西。”

后來文小剛意識(shí)到，拓?fù)湫虻扔诙囿w量子糾纏的構(gòu)形。這一理解導(dǎo)致了拓?fù)湫虻母唠A范疇學(xué)理論。高階范疇學(xué)是一個(gè)大多數(shù)數(shù)學(xué)家都不問津的純數(shù)學(xué)理論，而且也是一個(gè)正在發(fā)展的理論。為了系統(tǒng)地描寫凝聚態(tài)物理中的拓?fù)湫?，必須進(jìn)一步發(fā)展數(shù)學(xué)中的高階范疇理論。文小剛認(rèn)為:物理前沿和數(shù)學(xué)前沿如此密切地接觸，是牛頓以來的第一次。

4? . 相互作用、信息和物質(zhì):“超大統(tǒng)一理論”

如果空間是一個(gè)帶有弦網(wǎng)糾纏結(jié)構(gòu)的量子比特海(一個(gè)新型的量子以太)，這就可以解釋所有基本粒子的起源。這代表了一個(gè)信息和物質(zhì)的統(tǒng)一。構(gòu)成空間的量子比特海，也是一個(gè)具有拓?fù)湫虻耐負(fù)湮飸B(tài)。拓?fù)湫蚝推鋵?duì)應(yīng)的量子糾纏，是光子、電子以及其它一切基本粒子的起源。這在數(shù)學(xué)上已被證明是可能的。目前標(biāo)準(zhǔn)的大統(tǒng)一理論僅僅統(tǒng)一了三種相互作用。拓?fù)湮飸B(tài)是一個(gè)把相互作用、信息和物質(zhì)都統(tǒng)一起來的超大統(tǒng)一理論。拓?fù)湮飸B(tài)已成為凝聚態(tài)物理最活躍的前沿之一。

最后，文小剛充滿信心地指出：“人們?cè)趯ふ腋鞣N各樣的材料來實(shí)現(xiàn)各種不同的拓?fù)湫?。如果我們找到一種材料，它能實(shí)現(xiàn)空間量子比特海中的弦網(wǎng)拓?fù)湫?，那么這個(gè)材料就能模擬所有的基本粒子。手里攥著這種材料，我們就可以宣稱我們掌握了世界?！?/p>