专访新科物理学新视野奖得主，Caltech物理学家陈谐_风闻

受访人 | 陈谐

采访、撰稿 | 乌鸦少年

北京时间2019年9月5日晚上，科学突破奖（Breakthrough Prize）委员会宣布，将2020年物理学新视野奖（New Horizons in Physics Prize）授予陈谐、Lukasz Fidkowski、Michael Levin 和 Max A. Metlitski，以表彰他们对于理解拓扑物质状态及其关系的深刻贡献。

物理学新视野奖每年最多授予三项物理领域的研究，今年获奖的另外两项研究是，从天文数据中提取基本物理的新技术，以及对量子场论的研究。此前获得新视野奖的华人科学家有物理学家傅亮、祁晓亮（2016年物理学新视野奖）、尹希（2017年物理学新视野奖），以及数学家恽之玮、张伟（2018年数学新视野奖）、许晨阳（2019年数学新视野奖）。今年，凝聚态物理学家陈谐和数学家朱歆文也加入其中。

陈谐的研究领域主要是量子多体系统中的相与相变过程，涉及强关联系统中的拓扑序、多体系统动力学、张量网络表示以及其在量子信息方面的应用。从2006年开始读研究生到现在，短短十几年时间，她已经在量子多体系统方向取得许多重要成果。

就在刚过去的夏天，「返朴」有幸采访了陈谐教授。在对话过程中，陈谐坦言，自己没有从小立志要当科学家，开始做研究的时候也曾郁闷、迷茫，是一步步的自我了解和探索，是身边科学家的启发和激励，让她发现了科学的美和研究的乐趣。

陈谐：凝聚态物理学家，美国加州理工学院副教授。研究领域主要是量子多体系统中的相与相变过程，涉及强关联系统中的拓扑序、多体系统动力学、张量网络表示以及其在量子信息方面的应用。

懵懂少年的自由探索

返朴：你从小就很喜欢或者擅长数学物理吗？

**陈谐：**我小时候其实是处于一种比较懵懂的状态，搞不清楚自己喜欢什么，不知道自己将来要干什么。现在回想起来，我那个时候没觉得会特别喜欢理工科，为什么呢？因为我不喜欢科幻小说，我喜欢看那种有故事情节的。我也不是那种喜欢动手的小孩，一遇到动手的事情就往后缩。就像我上初中的时候，总觉得电脑这事我学不懂，看到电脑就怕。现在想想其实没有什么可怵的。

返朴：那高中时候还发怵吗？还是就逐渐喜欢上物理了？

**陈谐：**其实还是处于一种懵懂的状态。我想首先得感谢我的家人，他们会为我选择那种比较宽松、活动比较多的学校。我的中学是南京外国语学校，是一所语言类的学校，从初中开始就强化外语训练，包括小语种，到了高中以后很多学生都会保送上大学。

这个学校特别好的地方在于，老师的评价体系比较多元，他们不只是看重谁成绩好，也会重视语言、组织活动、表演节目等各方面的能力。所以各方面有优势的同学都可以找到自己擅长的东西。老师比较鼓励大家发展自己的个性，发展自己的爱好。这种环境导致我一直比较懵懂，一直到上大学都没有觉得必须要走哪条路。

现在想想，其实这是非常好的一件事情，因为人往往是成长到一定阶段才能发现自己真正喜欢什么，擅长什么。但是有时候不得不从小就确定要选择哪个方向，这时候很容易会把外界的标准、大人的期望放到小孩子身上。我能够有机会认识到，自己其实适合做物理，而且是做理论物理，其实是一件很难得的事情，所以我觉得我是一个特别幸运的人。如果没有这个空间去尝试、去探索，那我就不知道要干嘛，可能就随便干什么了。

返朴：大学是怎么选择物理方向的？

**陈谐：**我是物理竞赛保送的。高中的时候我去考了物理竞赛，得了全国二等奖。那时候清华大学去招生，二等奖有些专业不能选，比如生物和计算机不能选，那两个专业考分要求高。但是我很高兴，因为10月份物理竞赛得二等奖后就可以直接保送了，我高三一年可以玩去了。不过我没有选择物理系，而是进了材料系。

返朴：你还参加其他竞赛了吗？还是那时候就觉得自己喜欢物理？

**陈谐：**其实高中时候我各门课的成绩都还挺好，生物、化学、物理、数学竞赛本来都参加了。到了高二突然觉得实在太累了，于是有一天自己决定除了物理，其他竞赛都不搞了。那个时候大概已经觉得自己更喜欢物理了。现在回想起来，我的家长和老师都很尊重我的选择，也没有给我额外的压力。

返朴：你大学最开始是在材料系，为什么不直接选择物理系呢？

**陈谐：**其实大学选专业的时候不知道要选什么，因为一下子有那么多专业摆在面前，也不知道理科、工科是什么，对于建筑、材料之类也没概念，只能看着名字选了，于是就选了材料系。那时候觉得材料挺好玩的，也可能潜意识里面还是觉得女生学理科不合适吧。

返朴：那后来为什么转到物理系了呢？

**陈谐：**因为在材料系过了两年以后，发现自己不是学工科的料，到了专业课层次就觉得没学明白。后来有一天我跟电子系的一个同学吃饭，她说电子系的课她上不懂，我说材料系的课我也上不懂，她说那咱们转物理系吧，然后我就转到了物理系，那个同学没有转（哈哈）。其实之前没有想过要转物理系，但是一听到那个建议就觉得特别对。就像是当人在迷茫的时候，总觉得有什么不对，但又不知道是什么不对，这个时候一旦找到那个想要做的事情后，就豁然开朗，特别明确。

返朴：喜欢工科还是理科可能跟人的个性也有关系吧？

**陈谐：**对。我觉得每个人的思维很不一样，各种各样的人在科学里都能有所贡献。工科更注重实践，注重怎么去直接解决一个问题，有很多东西是经验性的。但是我比较喜欢逻辑类的东西，更想弄明白概念原理上是什么样的。小时候我虽然不喜欢科幻小说，但是非常喜欢侦探小说，比如《福尔摩斯》，看得非常害怕但还是想看。

返朴：那到了物理系之后怎么样呢？

**陈谐：**转到物理系，一开始觉得挺难的，怕自己学不好，后来上了课挺开心，因为觉得自己学懂了。因为是大三转专业，有很多课没有学，但是学分够了也就毕业了。

返朴：你本科毕业设计做的是什么？

**陈谐：**本科做的是天文。其实那时候也是不知道要做什么，然后去问辅导员，辅导员说天体物理那边挺好的，女生挺多的，于是就去天体物理那边学了一些数据处理。

研究生阶段：学会问问题，学会开心做物理

返朴：你之后在MIT读PhD时做的是量子信息，专业跨度还挺大的，你是怎么跳过去的？

**陈谐：**本科上量子力学的时候，老师提到一些量子信息的概念，当时觉得挺感兴趣，挺好玩的。正好在MIT我有一个师姐叫曾蓓，我们经常去她家吃饭，她在量子信息组，我就跟她去她们组看了看。她们组的老板Isaac Chuang听说我是做天体的，就问道，薛定谔方程你知道吗。我写了出来，于是老板就收留了我。

返朴：在量子信息组里做研究还顺利吗？这个过程有哪些成长和收获？

**陈谐：**我们那个组是一半做实验，一半做理论，我的导师主要是做实验的，我们做理论的就比较自由。那时候跟师姐学习讨论很多。她说的一句话我印象很深，她说做新东西并不一定总能做出来，但是学东西花点时间总归是能学会的。所以在这个过程中，我明白的第一件事情是，什么东西都是能学会的，有了这个信心之后就不太怵了。

以前参加物理竞赛、转到物理系，一直觉得我很多东西不懂，但周围的人都很厉害。但这时候慢慢觉得，不懂就学，什么都是可以学会的，甚至计算机也是可能学会的，这样就克服了一个很大的心理障碍。PhD有五六年，花几天、几个月的工夫把一个东西学明白，这点时间还是有的。当你慢慢把所有东西一点一点都啃明白了以后，你就发现其实别人也不是所有事情都很明白，但是一开始你很容易会被别人吓唬住，以为大家都很明白，只有自己不明白，其实不是的。

返朴：这位师姐对你影响很大。

**陈谐：**我还一直记得她说的另一句话：别人会做的事情，我干嘛要做，要做就要做点别人做不了的事。

返朴：你跟导师的合作是怎样的？导师对你有哪些影响？

陈谐：导师会在我非常纠结的时候，给我一些大的指导。他跟我说，你博士阶段不是要学习解决问题，而是要学习问问题。他的意思不是说你马上就必须要提出一个很重要的问题，而是说现在你可以开始想这件事情了。因为博士阶段结束后，如果你想成为PI，你不是要去解决别人的问题，而是要自己去问问题。

在科研的过程中，其实很多情况并不是说有一个费马大定理等着大家去证明，即使是, 这样的大问题一般也不是直接冲着问题过去，这样一般是做不出来的；而是要把大问题拆成小问题，把完全没法下手的问题转化成可以带来一些进展的问题。我觉得科研有时候就像扫雷似的，你在这边试一试，可能扫一块出来，然后到那边试一试，再扫一块出来，最后挖到一定程度，可能就会扫出一大片来。

返朴：问问题其实是站在已知的基础上，去触碰未知，是很难的一件事情。你在研究生阶段是怎么培养自己问问题的能力的？有没有自信心很受打击的时刻？

**陈谐：**在学生的时候，一开始我们知道的东西都很少，最经常发生的情况是，你做了一个东西，以为是一个重大发现，结果却发现别人已经做过了。这时候打击非常大，但是对于学生来说，这其实是非常了不起的，因为那可能是一个大教授费了很大劲做出来的。但是你在自己当时已知的基础上，能够独立想到这个问题，并把它解决掉，虽然这不是新结果，也不能发表，在已有的评价体系下是没有用的东西，但是对于学生来说，这是一个巨大的进步，这个时候非常需要鼓励与支持。

如果自己做了很多东西出来，结果发现都是别人做过的，这时候悲观情绪很容易弥漫开来。但是这时候，**其实再走两步，很快你就够到新的东西了。**在这些前沿的地方我们懂得真的很少，稍微再往前走一点点可能就看到曙光了。读研究生有时候会变成一个很悲观的过程，有发文章、毕业的压力，有对前途的迷茫与担忧，如果能够多一些鼓励与支持，可能有更多的同学能走下去。

返朴：读研究生真的是一个很艰难的过程。不过在这个过程中你一定也做过一些很有成就感的事情，才能支撑自己走过来吧？

**陈谐：**肯定是。读博士有时候会有很消极的阶段，但也并不是都很糟糕。有时候做着做着就发现，自己还能做点东西。之前不知道自己能做这个，但是一些正面的反馈逐渐让自己树立了信心。

返朴：什么时候开始逐渐有了信心？

**陈谐：**那是到了博士第三年，我开始跟文小刚老师合作，自己觉得做的东西开始比较上路了，自我感觉好一点了，大家后来也慢慢认可这些工作，这肯定是一个正面的激励。

返朴：你是什么时候开始比较笃定，觉得我就是要做科研？

**陈谐：**我研究生去MIT的时候，最初还想着学两年物理可能转到金融或者咨询领域挣钱去。后来我忽然想明白自己要做research，是因为跟我同学去参加一个招聘会，做那些面试题，跟面试的人聊天后，我忽然发现这跟research的思路非常不一样，而且文化也不一样，因为这两点，我开始考虑也许学术圈更适合我，**之前我从来没有想过我一个女孩子要去做理论物理研究。**但是慢慢做着做着就发现，自己做得挺开心的。

返朴：做科研做的很开心，那一定是很美妙的体验吧！能讲讲这方面的经历吗？

**陈谐：**在我博士前期的时候，我觉得身边的同学中间普遍有一种消极的情绪，大家不知道量子信息的出路在哪儿。那时候流行的说法是，量子信息已经发展了20年了，容易的问题都被做完了，剩下的问题都很难做。那个阶段我经常经历一种过山车般的状态，今天觉得一个问题做出来了，明天又发现做错了，经常会受到打击。

但是后来跟文老师开始合作以后，对我影响最大的一点是，我发现做研究可以很开心。我去找他讨论问题，有时候也没搞懂讨论的问题要怎么解决，但还是好开心。所以就发现，做物理不是一件痛苦的事情，不是说大家拼了命削尖了脑袋，每天愁眉不展，吃不下睡不着，只是为了做出结果来，它首先是一件开心的事情。哪怕我只是理解了别人的东西，或者弄明白了昨天做的东西错在哪，或者弄明白问题其实应该怎么问，这样一点一点的进展都是很开心的事情。

返朴：这样就慢慢成长为一个比较成熟的researcher了。

**陈谐：**那段时间我开始建立自己对研究的品味，就发现其实根本不是量子信息领域的好问题都被做完了，其实完全取决于你问的是什么问题，你觉得什么问题是重要的，什么问题值得去研究。

我研究的方向处于量子信息与凝聚态的交叉领域，牵涉到一些很抽象的概念，很多时候跟实验也没有直接关系，不是很容易被理解和认可。有时候我也会想想其他类型的比如跟实验或者应用紧密联系的问题，但是不知不觉会转回到自己研究的方向上，因为我发现，只有在这一类问题上，自己才会进入一种想不明白就难受的状态，自己真的觉得有意思，哪怕下班了还在思考。让每个人茶饭不思的问题可能很不一样，对于我来说就是逻辑类问题，用铅笔和草稿纸就能算出来的那种问题，有点像数字游戏。一个人一旦发现那种状态好玩以后，可能也就干不了别的工作了。

独立科研：在量子信息与凝聚态理论的交叉处

返朴：文老师是做凝聚态理论的，你是做量子信息的，你们是怎么开始合作的？

**陈谐：**跟文老师合作也是机缘巧合。那时候我们一帮中国留学生经常去师姐家里吃饭，在那里认识了顾正澄，他跟文老师做博士后。聊天的时候知道，文老师对量子信息感兴趣，他意识到凝聚态可以用到量子信息的一些概念。我们那时候研究的一些课题也开始往凝聚态方向靠拢。于是就开始跟文老师讨论问题。

返朴：从量子信息到凝聚态理论，这又是一个跨越，你是怎么进入凝聚态领域的？

**陈谐：**量子信息领域有很多做数学和计算机的人，大家会明确地给出定义，然后提出问题，证明结论。当然这样的问题往往是问题听起来很简单，但是证明很难，数学就是有这种迷惑性。

凝聚态不一样。凝聚态是一个相对来说门槛比较高的领域，并不是说它特别难，而是它历史比较长，有很多自己独特的概念，大家会说黑话，外人往往听不懂。它是一个物理学科，很多概念是唯象的，没有严格的定义，或者不同人有不同的定义，这就给初学者带来一些困难，特别是不容易明白到底什么是问题，什么是有意义的问题。这种时候最好的办法就是去跟别人讨论，看他们对事情的理解是怎么样的，虽然经常得到不一致的答案，但是把不同人的回答拼起来，也就能明白核心问题到底在什么地方。

量子信息与凝聚态这两个领域其实互相不太理解，我对这两个方面都有所了解以后，就可以从这边借鉴一些，从那边也借鉴一些，或者把这边的发现用一种那边能理解的方式重新表述出来，这个过程中就会产生一些新的想法。

返朴：介绍下你现阶段研究的方向吧。

**陈谐：**我喜欢把它叫量子多体系统，不叫凝聚态，也不叫量子信息。首先它是量子的，不是经典的，它满足量子力学方程。其次它是多体系统，也就是粒子数目大到10^23这个数量级，是多到数不清，多到无穷多这种多。比如在具有量子性质的材料中有大量原子、电子等粒子，它们组织成一个晶格；量子计算机里面众多的量子比特，还有量子引力中研究的也都是量子多体系统。

这些领域现在开始互相借鉴对方的一些概念、工具。比如纠缠这个概念，它本来是量子信息领域的人用来研究怎么传递信息的，现在也用来描述凝聚态系统中的多体效应，或者是对量子引力理论做一些刻画。所以这些领域都彼此关联，贯通起来了。这些领域原来的发展很不同，形成的思维范式不一样，彼此接触以后就会出现一些非常新的突破。

返朴：具体是什么课题呢？

**陈谐：**具体做的主要是拓扑序，研究量子多体系统的长程纠缠性质。最近做的课题跟量子硬盘有关系。在量子信息领域，量子硬盘是大家一直想做但是不会做的东西，哪怕从原理的角度都不会。但是在做这个问题的过程中，量子信息的人发现了一类新的模型，也就是fracton model。这种系统的性质太奇怪了，凝聚态的人以前完全不知道有这类模型的存在，于是大家开始从凝聚态的角度研究这个模型。

返朴：能简单讲讲量子硬盘的发展脉络吗？

**陈谐：**我们知道，经典的硬盘是用磁性材料做的，可以存储信息，之后还可以读出，它不太受颠簸、温度之类的环境因素的影响。但是怎么找到一个量子系统来存储量子信息，使得它对光照，温度等环境因素有很强的抗干扰能力？

我们现在会做量子计算，但不会做量子硬盘。因为量子计算机是在运行过程中随时检查纠错的，但是如果不让系统一直纠错，不是通过外界的干预来保证错误维持在一定水平以下，而是依靠系统自身固有的一个特性来保证这一点，这就很困难了。

二维磁性材料之所以能够存储经典信息，就是因为错误产生了以后，不太会扩散。因为假如一个磁子反转了，它跟周围磁子之间的相互作用就改变了，平行变成反平行，能量升高了，如果要把整个磁畴反转过来，就得从这个磁子周围的一小圈开始翻转，然后逐渐向外扩展，但这个过程中能量会越来越高，如果这个能量势垒太高，就翻转不动了，错误就不会扩散得很广。

如果要实现量子存储，就需要找到一个量子的模型，其中的量子态可以用来代表量子信息，同时对各种量子的错误都要能有足够的抵抗力。新发现的这些fracton模型就有这种效应，错误一旦产生不容易扩散开来。但是这个扩散速度慢的还不够，还不能实现有效的量子存储。

磁畴翻转过程示意图

返朴：你会考虑量子信息这个领域有没有前途这样的问题吗？

**陈谐：**研究生的时候会很悲观，但是现在我知道这是个伪问题。其实很多现在“火”的东西，过几年以后就都不“火”了，有可能是核心问题被解决了，也有可能是核心问题遇到瓶颈，一下解决不了，没有什么东西会一直“火”下去。这个时候需要自己判断，这个方向里是不是有东西值得锲而不舍的钻研，还是应该放一放，去想想别的问题，也许有了新的思路了以后再回来。现在和以前做的所有东西都会叠加在一起，形成我对整个领域的认识，帮助我看得更清楚，知道下一步可以往哪儿走。

返朴：不断去开拓新的领域。

**陈谐：**对。我们学校有一位大神级的科学家，就是基塔耶夫（Alexei Kitaev）。他是物理、数学、计算机整个都贯通的，他很少发文章，但是他在任何一个领域发一篇文章，大家就会把它当作教科书来学习。在牛顿那个时代，物理、数学都是通的，但是现在学科分化很精细了，还能出现这样大神级的科学家，让人感觉科学真是无穷无尽，有很多东西可以去学，可以去试。

科学家 Alexei Kitaev

纯粹的科学家状态

返朴：所以前辈科学家起到了一种引导和激励的作用。

**陈谐：**是。在我成长的过程中，会感受到身边很多人的激励和影响，会被他们的科学精神感动。比如现在我的一位同事，他是一位非常资深的教授，在凝聚态实验方向做出过一系列里程碑式的工作。他原来有一个很大的实验组，到他60岁时，他说我要退休了，这样就可以不用教书，也没有系里的行政任务了，他的目的就是一个人回到实验室去自己做实验，重新回到一个研究生的状态，他就喜欢做实验，如今他照样出很好的结果。像这样沿着自己几十年来一直想做的方向做，这真正是一个科学家的状态。

返朴：非常纯粹。

**陈谐：**还有一位同事是做理论研究的教授，是美国科学院院士，60多岁了，有一次我跟他一起去开会，一个星期的会，从早到晚，大概45分钟一个报告，他每个报告都坐在那里听，然后会拍一张照片，写一句话总结报告的内容，有时候还加入一些自己的评论，发到推特上。我觉得自己完全做不到，因为每个报告都听是很累的事情，而且这些报告涉及的方向非常广，必须对每个领域都很了解，还得理解报告本身的内容，才能写出一个总结。

返朴：这真的是很难得。

陈谐：所以身边这种例子让我很感动，看到一种特别纯粹的做科学的状态。我们有时候似乎会陷入一种误区，把精力耗在人与人、组跟组之间的竞争上，但科学的对手其实是自然，自然那么大的空间，好多东西我们都不知道，人家能做出来，我就去干点别的就好了。如果是这样的状态，大家就会形成一种互相启发、互相帮助，共同面对大自然的状态。当然这是一种特别理想的状态，但起码我们可以去追求这种状态。

返朴：有时候我们听那些很有名的科学家的故事会感到精神上受到激励，但是更多时候其实是身边一个个同学、老师，他们让你感受到踏踏实实做科研是什么样的。

**陈谐：**就是这样的。所以每个人你做的事情，别人也会看得到。

女性科学家：我的声音值得被听见

返朴：你觉得在实际生活和工作中，会存在一些社会文化因素，不利于女性从事科研吗？作为女性，会遇到更多困难甚至歧视吗？

**陈谐：**我们学校环境特别好，家里也很支持，所以我自己其实没有直接感受到。但是我知道在我的生活圈之外，噪音是很多的，这些肯定会造成很多无形的障碍。比如我上学的时候是属于那种成绩好、特别听老师话的学生，但那时候经常听人说，女孩就这样，小时候好，等上了高中就不行了。其实社会上也流行一些话，比如“做那么好干嘛，做得太好了反而找不到对象”“ 女孩子不要太强”之类。

返朴：我觉得社会观念对女性的一个很大的影响是，很多女生会特别没有信心。

**陈谐：**对。我遇到过不止一个女生跑来跟我说，自己不知道怎么就被招进Caltech来读博士了，觉得自己是混进来的，是别人看走眼把她招进来的。其实她们完全不比其他同学差。

我记得在我博士快毕业的时候，MIT把对做学术感兴趣的女生组织起来，做一个培训。其中一个报告是关于仪态的，大概是讲要怎么站，怎么坐之类。有一句话我印象特别深，培训的那个人说，要记住，you take space，你是占空间的。我原来总觉得自己最好不占空间，希望最好谁也不要看到我。在拥挤的公交车上，我会把自己缩得很小；上课时候我不举手，希望老师不要看到我；我也不要求什么，没有特殊要求，总之我不是一个显眼的人。但是她说，你是占空间的，你在哪里，哪里就有你的一份空间。你个子可能小一点，但是你有你的责任和义务，有你说话的份量。你在你的领域就是专家，你有你的观点，你的声音是值得被听见的。

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