文小刚教授:感谢PRB!

作为一名凝聚态理论研究者,文小刚教授大部分的文章都发表在《物理评论B》(PRB)上。PRB是一个包罗万象、包容宽厚的杂志。不仅接受偏离潮流的小众文章,也接受又物理又数学的四不像文章。它给了很多大胆的创新工作一个发表的平台。文小刚教授回忆了自己发表一些工作的经历,讲述一个不为人知的新工作,被杂志和同行接受的历程,也反映了发表创新研究的一些心态。一个研究工作的价值在于它的内涵,不在于它被哪个杂志发表。

撰文 | 文小刚

作为一个凝聚态理论的研究者,我的大部分研究文章都发表在美国物理学会的物理评论系列杂志上,也就是PRB(Physical Review B《物理评论B》)和PRL(Physical Review Letters《物理评论通迅》)。

一项新工作,若可能用四页纸解释清楚,那么我会试一试PRL。但得到的评审人答复经常是“你的工作太小众了,更适合于一些专业的杂志”。言下之意是你的工作不重要,不抓眼球。结果这些工作最后常常出现在PRB上。我的大部分新工作,是四页纸无法讲清楚的,那一开始就没法选择PRL,只能投PRB。(最近长文章还有另外一个选择PRX,但用能买一台高性能多核并行台式计算机的钱来发表一篇文章,还真有点舍不得。)

一个新工作可以分为两类:一类是解决一个大家熟知的问题。这类工作只要把答案讲出来就行了,既不用解释所解决的问题是什么,也不用解释为什么这个问题重要。这一类工作常常四页纸就能讲清楚。

还有一类工作,不但答案是新的,甚至连它所解决的问题都是新的,是一个从头到尾都是创新的工作。也就是说,一开始没有问题,没有疑问,大家都觉得好好的,一切都很完美,也没有什么好做的。然后你说其实并不那么完美,这里还有一个问题,甚至你还提出解决这个问题的部分答案。

但是要发表这一类创新工作,并不是很容易。光发表答案是不会被接受的,因为对其它人来讲,连问题都没有,答案就更谈不上了。这类工作好像就在没事找事。所以要发表这一类工作,你首先要说服大家,的确有一个问题,要仔细解释这个问题到底是什么,它为什么重要?只有当人们都接受这一问题,都意识到这一问题的重要性之后,人们才能考虑,(如果走运的话)甚至接受你的答案。所以这一类创新工作,绝对不是四页纸就能讲清楚的。花上十几页、几十页,能够说服人们这里有一个问题,而且这个问题还很有意义,就已经很不容易了。这一类工作无法发表在《自然》(Nature)、《科学》(Science)、PRL这种只接收短文章的杂志上。如果只鼓励发表短文章,那么这第二类开辟新领域的创新工作就被压制了。

大胆的创新工作,都是偏离潮流的。这些工作要么什么都不是,要么代表将来的新潮流。PRB有很多文章也许不是那么新,但凝聚态物理中最大胆的偏离潮流的工作也没有别的地方好发表。好在有PRB的包容和远见,这些工作常常都发表在PRB上。

荷兰的物理学家,常常不跟潮流,在让人想不到方向上,有一些大胆创新工作。我问他们是不是有什么原因?他们有一个人告诉我:大部分研究论文,都淹没在庞大的论文海洋中。他的追求是大胆创新,希望有那么一两篇文章能跳出论文的海洋,哪怕代价是他的大部分文章,由于偏离潮流,最后什么都不是。只要有那么一两篇文章能够引领新潮流,他的目的就达到了。

下面讲一下我一些小众工作背后的故事。我大部分新工作都是发表在PRB上,所以我对PRB充满了感激。

我关于拓扑序的第一篇文章:

Vacuum degeneracy of chiral spin states in compactified space ,

XG Wen,

Phys. Rev. B 40, 7387(1989)

(引用585)。

就是发表在PRB上。这是一篇短文章,也许是先试了PRL,被告知太小众了,退而求其次,发表在PRB的快速通讯上。(这是凝聚态领域常用的手段。)当时我的研究领域刚从高能的超弦转到凝聚态理论,还按照高能的习惯,把一个量子系统的基态叫做真空。拓扑序这一名字也是那篇文章起的(因为拓扑序的有效场论是Witten同年提出的拓扑场论)。

这篇短文是建立在另一篇长文的基础之上的。那时Wilczek、徐一鸿和我在探索高温超导的新机制,用Baskaran,Anderson奴隶玻色子理论的思路,研究由李东海、Laughlin等人提出的自旋液体。当时受朗道对称性破缺理论的影响,我们集中研究自旋液体的对称性、序参量并推导它的有效场论。我们发现这一自旋液体破坏了时间反演和空间反演的对称性,所以我们把这一自旋液体叫做手征自旋液体。这一工作也发表在PRB上:

Chiral spin states and superconductivity,

XG Wen, F Wilczek,

A Zee; Phys. Rev. B 39, 11413,(1989)

(引用1176)。

这篇文章是按照高能物理的习惯,署名以字母顺序排名。
当时我到斯坦福做学术报告,讲我另一个高温超导的工作——自旋口袋模型。报告之前,我和Laughlin讲了这个新的手征自旋液体的工作。我记得他兴奋地跳脚,非常激动。结果在我关于自旋口袋模型的在报告中他一言不发,可能还是在思考手征自旋液体的问题。后来别人告诉我Laughlin不喜欢自旋口袋模型,大家为我捏了把汗,怕Laughlin提出尖锐的问题(他常常这么做),让我下不了台。没想到手征自旋液体在这里救了我。

在手征自旋液体工作之中,我们发现了好几个不同的手征自旋液体,但它们都有完全相同的对称性破缺和完全相同的序参量。那时Wilczek问了我一个简单但很深刻的问题:如何刻画这些不同的自旋液体?这一问题在我脑中挥之不去,导致了关于拓扑序的那篇短文。这一经历告诉我,把别人做过的工作,用自己的思路仔仔细细再做一遍,也许就会碰到创新的机遇。

关于拓扑序比较仔细,进行了自我批评的文章也是发表在PRB上:

Ground-state degeneracy of the fractional quantum Hall states in the presence of a random potential and on high-genus Riemann surfaces,

XG Wen, Q Niu,

Phys. Rev. B 41, 9377(1990)

(引用976)。

这篇文章指出拓扑序中的基态简并,受拓扑保护,连杂质都不能将其破坏,这才是拓扑序的本质。牛谦告诉我,Thouless对我们这篇文章有很正面的评价。但当时人们认为,基态简并是有限系统的一个附属效应,和系统中的序没有关系,不重要。这篇文章当时没有被重视。它的引用率是在十年之后才逐渐起来。这时我已脱胎换骨被洗脑,不再把基态叫做真空。由于基于手征自旋液体的高温超导理论,那时已经被证明是错的,所以我们就开始拿量子霍尔效应来说事儿。

一般一开始写文章,介绍一个新工作,总是尽量说好话,尽量说服别人这玩意儿是个好东西。这类文章言简意明,紧抓要点,写多了别人也懒得看。但接下来就要写自我批评的细致长文章,仔细看看这玩意儿是不是真是一个好东西,填补各种漏洞。写这类细致的长文章,而不是光写宣传的短文章,表示自己看重自己的工作。

我关于拓扑序比较系统纲领性的文章,发表在一个影响因子更低的杂志上(impact factor 1.153)

Topological orders in rigid states,

XG Wen,

International Journal of Modern Physics B 4, 239 (1990)

(引用934)。

当时在美国没有人讲引用率,想的更多是标新立异,很愿意在没有听说过的新杂志上发表文章。这篇文章的引用率是在15年之后才渐渐起来。

很多我自己觉得最好的文章,常常头十年没有什么引用率,10年后引用率才慢慢起来。下来一些文章,头几年有不错的引用率。10年后引用率也还不错。再下来,头几年有不错的引用率,后来就没了。再再下来,一直没有什么引用率(也许要等20年:-)。一个杂志的影响因子,只统计一篇文章发表后两年内的引用。所以我自己最好的文章,对杂志的影响因子几乎没有什么贡献,不管是当时还是10年后。

我在MIT助理教授面试时,所讲的量子霍尔边界态的工作,也是发表在PRB上:

Gapless boundary excitations in the quantum Hall states and in the chiral spin states,

XG Wen,

Phys. Review B 43, 11025(1991)

(引用475)。

这是1989年就完成的工作,当时我还在Santa Barbara的理论物理研究所做博士后。一开始投稿PRB,一个审稿人有很负面的评价,被拒。审稿人的大意是:这篇文章用了很多花花哨哨弦论数学,看不出有什么物理意义。后来我又投到Nuclear Physics B,好几个审稿人的评价也不是很好,同样被拒。这时我已于1989年底,来到普林斯顿高等研究院工作。无奈之下,写了一篇短的广告性简介文章,投到PRL,居然被接收了:

Electrodynamical properties of gapless edge excitations in the fractional quantum Hall states,

XG Wen, Phys. Rev. Lett 64, 2206(1990)

(引用542)。

后来又写了一篇系统的,而且和实验相关的文章投了PRB:

Chiral Luttinger liquid and the edge excitations in the fractional quantum Hall states,

XG Wen, Phys. Rev. B 41, 12838(1990)

(引用845)。

而第一篇文章,在Nuclear Physics B被拒后,走投无路,不得不又投PRB。这次换了审稿人,两年后这一工作终于被发表。也可以说我写了三篇文章,才让这一工作被PRB发表。后来那第一个审稿人主动跟我说是他审的,说他当时应该网开一面。

我关于拓扑序最简单的例子——Z2拓扑序(在量子信息又被称之为toric code):

Mean-field theory of spin-liquid states with finite energy gap and topological orders,

XG Wen,Phys. Rev. B 44, 2664(1991)

(引用597);

我们关于拓扑序的微观机制——长程量子纠缠(这是我们引入的一个新概念):

Local unitary transformation, long-range quantum entanglement, wave function renormalization, and topological order

X Chen, ZC Gu, XG Wen,

Phys. Rev. B 82, 155138(2010)

(引用636);

我们关于一维有能隙量子系统的全面分类:C

lassification of gapped symmetric phases in one-dimensional spin systems,

X Chen, ZC Gu, XG Wen,

Phys. Rev. B 83, 035107(2011)

(引用675);

也全都是发表在PRB。

一维有能隙量子系统的全面分类,牵扯到强相互作用量子体系。有很长一段时间,强相互作用体系是碰都没法碰的东西,因为除了数值计算,理论上根本就没法算。我们这一工作之所以可能、是由于对称保护拓扑序(也被称之为对称保护平庸序)这一概念的提出和进展。两种叫法的英文简写都是SPT序,也算是一理两名。因为一维没有拓扑序,一维有能隙量子系统的分类就是一维SPT序的分类。

我们关于SPT理论的工作有一系列文章。首先提出这一概念的文章发表在PRB:

Tensor-entanglement-filtering renormalization approach and symmetry protected topological order,

ZC Gu, XG Wen, Phys. Rev. B 80, 155131(2009)

(引用649)。

当时我和顾正澄纠结了很长时间,是把这个新概念叫做对称保护拓扑序,还是叫做对称保护平庸序。最后我们采取了正澄的建议,否则拓扑绝缘体都变成平庸的了。这篇文章只研究了一维的SPT序。关于二维SPT序的第一个例子,也发表在PRB:
Two-dimensional symmetry-protected topological orders and their protected gapless edge excitations,

X Chen, ZX Liu, XG Wen, Phys. Rev. B 84, 235141(2011)

(引用276)。

紧接着我们写了一篇系统的文章,其中还用到近代数学的群上同调理论:
Symmetry protected topological orders and the group cohomology of their symmetry group,

X Chen, ZC Gu, ZX Liu, XG Wen,arXiv:1106.4772,

Phys. Rev. B 87, 155114(2013)

(引用827)。

当时我觉得这篇系统文章太长了,所以写了一篇短的广告性文章,试着投稿Science。我也和Science编辑说明,投稿的短文是那篇长文章的简介,因此搞的他们不太高兴。由于Science杂志的要求,我们答应在短文发表或被拒稿之前,长文不投交其他杂志。结果短文翻来覆去搞了半天,审稿人一直不满意,不是认为太小众,就是认为太数学。本来我都放弃了,顾正澄和陈谐又做了最后一次努力,把短文完完全全重写一遍,结果居然就过了:
Symmetry-protected topological orders in interacting bosonic systems,

X Chen, ZC Gu, ZX Liu, XG Wen,Science 338, 1604(2012)

(引用508)。

这是我唯一一篇上Science的研究论文,完全属于锦上添花,所付出代价是那篇长文推迟了两年发表,回头看看觉得有点不值。当然最新的结果是在PRB(或arXiv)上,已于2009,2011发表,Science早点晚点也无所谓。
群上同调理论是近代数学中一个比较抽象的理论。而PRB是一个杂七杂八,综合理论实验齐聚的凝聚态物理杂志。我们基于群上同调理论的长文,居然能够被PRB接受,我们感到非常欣慰。其实在这之前,我们已经有一篇关于二维拓扑序的系统理论,其基于更加抽象的近代数学——融合范畴学,居然也被PRB接受:

String-net condensation:?A physical mechanism for topological phases ,

MA Levin, XG Wen,

Phys. Rev. B 71, 045110(2005)

(引用1034)。

这两篇文章被PRB接受,真是让我有点感恩戴德的感觉,否则这类文章投稿无门。其实这类文章中,我们还有一个更极端的文章:

Braided fusion categories, gravitational anomalies, and the mathematical framework for topological orders in any dimensions,

L Kong, XG Wen,arXiv:1405.5858(2014)

(引用44)。

这是我花精力最多,和孔良用了两年时间才完成的文章——太物理又太数学了,因此没有好意思投PRB。不过这篇文章指引了我们近几年的工作。
受到PRB包容的鼓励,近几年来我们写了一系列基于抽象近代数学的文章。其中包括费米SPT序的超上同调理论:

Symmetry-protected topological orders for interacting fermions: Fermionic topological nonlinear sigma-models and a special group supercohomology theory ,

ZC Gu, XG Wen,

Phys. Rev. B 90, 115141(2014)

(引用218);

二维费米拓扑序的系统分类(用了简并融合编织范畴):

Theory of (2+ 1)-dimensional fermionic topological orders and fermionic/bosonic topological orders with symmetries,

T Lan, L Kong, XG Wen,

Phys. Rev. B 94, 155113(2016)

(引用56);

二维有对称性拓扑序的系统分类(用了简并融合编织范畴的模扩张):

Classification of (2+1)-dimensional topological order and symmetry-protected topological order for bosonic and fermionic systems with on-site symmetries,

T Lan, L Kong, XG Wen,

Phys. Rev. B 95, 235140(2017)

(引用32);

三维拓扑序的系统分类(用了高阶范畴):

Classification of Bosonic Topological Orders I: The Case When Pointlike Excitations Are All Bosons,

T Lan, L Kong, XG Wen,

Phys. Rev. X 8, 021074(2018)

(引用40)。

感谢合作者的慷慨,让最后一篇文章能发表在PRX上。
PRB真是一个包罗万象、包容宽厚的杂志。让我的小众凝聚态物理文章,又物理又数学的四不像文章,有了一个家。当然说的正面一点,一个在理论上创新的文章,常常都是小众的四不像文章。