諾獎得主Kosterlitz：成功最需要“運氣”，而我的優(yōu)勢是“無知”

2016年，J. Michael Kosterlitz、David Thouless 和 Duncan Haldane 因“對拓撲相變與拓撲物態(tài)的理論性發(fā)現(xiàn)”（for theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phases of matter）共同獲得諾貝爾物理學獎。

這一獎項的重要背景之一，是他們對二維系統(tǒng)中相變機制的深刻洞見，即著名的 Berezinskii–Kosterlitz–Thouless（BKT）相變理論。該理論首次提出，在二維系統(tǒng)中，相變可以由拓撲缺陷的行為驅動。BKT 相變理論不僅在數(shù)學物理上具有深遠影響，也為理解如二維超導薄膜、量子氣體、液晶、石墨烯等實際材料系統(tǒng)中的集體行為提供了重要理論支撐，成為凝聚態(tài)物理中里程碑式的成果之一。

并不被大眾所知的是，Kosterlitz教授年輕時是一位世界頂級攀巖者。在攀巖界，他的名氣某種程度上甚至超過了他的學術成就。他的水平達到了當時的頂尖水準，主要成就包括：

完成了勃朗峰群Les Dru上American Direct路線（ED1難度，6c+）的首次重復攀登；在意大利阿爾卑斯Orco山谷首攀了以他命名的"Fessura Kosterlitz"（Kosterlitz裂縫，難度f6B/6a+）。

約1960年代末至1970年代初，J. Mike Kosterlitz在大若拉斯峰北壁Walker Spur的冰雪橫切段攀登。這條1200米的北壁路線是衡量頂級登山者的標志。

更重要的是，他作為 Nuovo Mattino 運動的核心參與者，把英國自由攀登的倫理引入了意大利，推動了這場攀登運動，深刻影響了歐洲阿爾卑斯攀巖的發(fā)展方向，挑戰(zhàn)了當時以登頂、民族主義和英雄主義為核心的傳統(tǒng)攀登倫理，轉向自由攀登的創(chuàng)造性和技術革新。2017年他獲得了攀巖界的“奧斯卡”—— Arco Rock Legends 的 Climbing Ambassador 大獎。

本期文章特邀普林斯頓大學博士后王勇對他的合作者J. Michael Kosterlitz教授進行了一次深度采訪，來了解這位物理諾獎得主對科研、生活以及新興技術的看法。

采訪、翻譯 | 王勇（普林斯頓大學博士后）

J. Michael Kosterlitz（1943-）

一

個人學術經歷

問：提出Kosterlitz-Thouless相變理論時，你處在什么樣的情況下？

答：當時，我攻讀完成了高能物理方向的博士學位，然后從1970年到1973年，我又花了三年的時間在伯明翰大學，在同一個領域做了三年的博士后。在經歷了日復一日枯燥乏味的計算，且沒有取得太多突破以后，我決定嘗試改變一下，換個領域看看。于是，我不停地拜訪不同的實驗室，看看有沒有人需要合作或者在某些問題上需要幫助。最終，我停在了David Thouless的辦公室，聽他介紹一些我以前完全不熟悉的概念和想法。他講到了在層狀氦-4中的超流現(xiàn)象、二維晶體、渦旋（vortices）、位錯、拓撲以及許多相關的話題。從那時起，我們開始了合作。

David是一個無所不知的人，如果你犯了一些小錯誤或者某些地方了解得不夠清楚，他總是會耐心地講解給你聽，有時甚至會讓你覺得自己有點愚笨。

問：當時二維物理這個領域，境況又如何呢？

答：我們唯一了解的就是由Hohenberg、 Mermin以及Wagner提出的理論推導，他們指出在二維系統(tǒng)中沒有長程有序，也沒有自發(fā)的相變。但David覺得這些二維系統(tǒng)中，比如二維層狀氦-4，一定存在某種相變。他給我展示了一些實驗結果，顯示其中確實有相變，這就是他和我當時需要去處理的沖突。在沒有任何頭緒的情況下，我們想到為什么不先假設二維系統(tǒng)可以有序，然后去思考什么東西可以破壞這種序，那就是渦旋；進一步，我和David將渦旋視為一種拓撲激發(fā)或缺陷。相同的思想也可以應用到二維晶體的熔化，其中的位錯扮演了超流中渦旋相同的角色，即拓撲缺陷。

問：關于Kosterlitz-Thouless相變理論的文章發(fā)表以后，有什么影響？領域內的相關人士對你們的結果很驚訝嗎？

答：不，這個工作被忽視了一段時間。但慢慢地，人們開始接受我們提出的概念，并引起關注，因為有幾個實驗發(fā)現(xiàn)了二維體系中的相變，而我們的工作似乎可以解釋這些實驗結果。

問：當時你會想到你們的理論可以這么普適于各種各樣的系統(tǒng)嗎？

答：我沒有想到，事實上，我甚至在當時都不太了解這個領域。在和David合作之前，我唯一知道的事，就是我是一個不成功的高能物理學家。那些拓撲的概念，在別人看來可能是異端，但對我來說，不算很不合理，因為我沒有太多領域內的固有思維。所以在研究過程中，我對這個方向的無知變成了一種優(yōu)勢，因為我不會被傳統(tǒng)觀念所束縛。而David呢，盡管他一直身處于領域當中，但他時刻都在跳出思維定式思考，我們倆當時就像一對完美伙伴。

二

科研觀探討

問：在這一節(jié)，我想了解一些你對于科研的一些整體觀念和看法。比如，作為一個成功的科學家，你認為對于一個科研工作者，最重要的品質是什么？

答：我認為可能對我這種成功最重要的部分，是運氣。我沒開玩笑，你想，要取得某些成就，你得在合適的時間解決合適的問題。這種契機你怎么去安排呢？只有幸運能安排。在當時，我們只是在嘗試解決一個看起來有點奇怪的問題，它只是一個純粹的理論練習，我們并不知道它是否會變得重要。

問：我也同意運氣在成功的事業(yè)中是很重要的，但是從個人角度來說，哪些是我們應該關注的因素？

答：對我而言，那就是樂趣（fun）。David和我在當時嘗試去想辦法解決和理解理論和實驗之間的某種沖突，我在其中收獲了許多樂趣。事實上，又有幾個人在意薄層氦中的超流呢，它基本沒有任何用處，但同時，這又是一個美妙的智力問題。我很喜歡攀巖，在休息的時候，我會坐在巖架或半山腰上，思考研究的課題，想象那些渦旋漂浮在我的面前，嘗試理解它們之間的相互作用?？偠灾?，我被這個問題深深地迷住了。

問：近年來信息技術飛速發(fā)展，像人工智能（AI）讓信息的獲取和生成都變得更加容易。你是怎么看待這些技術的？

答：對我來說，AI只是另一種工具。它就像一個超級高級的計算機。記得以前的科幻作品里，描繪了那種你可以跟機器對話，然后它還能回答你問題的情節(jié)，現(xiàn)在差不多就像這樣。但這些AI，它們并不會自己“思考”，我們的大腦有些很奇妙的運作方式，是AI目前還模仿不了的。

盡管電腦能做我們做不到的運算——非常非常復雜的計算它們都能搞定。但問題是，AI自己沒法提出問題，是人類先提出問題，然后它才能解，盡管一旦問題設定好了，電腦確實比你我計算得更快。從這方面而言，AI和其他的電腦程序沒有什么區(qū)別，而且它的能力也取決于支撐它的數(shù)據(jù)。

問：是的，這其實是一個很重要的點?，F(xiàn)在人們會構建復雜的 AI 框架，并用高質量的數(shù)據(jù)去訓練它們，卻不太關心這些系統(tǒng)“內部到底發(fā)生了什么”。他們相信，也許通過這種方式，我們就能造出類似人腦的機器。你怎么看待這種現(xiàn)象？

答：你說的，其實從某種程度上，就是我們大腦的運作方式，對嗎？但這種說法其實是在非常粗略、模糊地描述大腦的功能。關鍵點在于，我們其實并不知道應該用哪一個層次的描述方式，比如你要做腦外科手術，那這種“模糊層面”的理解和操作顯然是不夠的。對我而言，生物學的問題真的太復雜了，以至于常常都不知道從哪兒開始著手研究。在物理或化學里，大多數(shù)人至少都認同一個出發(fā)點或者某種尺度，比如從原子開始建模。在物理中，我們常常將粒子近似為具有有效參數(shù)的點粒子，以簡化問題——這其實和現(xiàn)實差得很遠，但對我們感興趣的現(xiàn)象來說，這種簡化是足夠用的。

可如果你面對的是像“大腦”這樣的系統(tǒng)，問題就不一樣了：你甚至不知道哪些變量是關鍵的，哪些是可以忽略的?？偠灾?，我想說的是：你提出的問題決定了你需要哪種“描述的層次”。但對于生物系統(tǒng)，比如大腦，我們現(xiàn)在根本還不知道，那個“合適的描述層次”到底是什么。

問：能給我們一些你對這種復雜性的見解和處理方式嗎？

答：如果我可以做到理解和處理這些問題，那我可能在等待我的第二個諾貝爾獎了，哈哈！

問：你覺得年輕人應該如何去面對他們研究和生活中的挑戰(zhàn)？

答：這其實因人而異。就我個人來說，年輕時的我?guī)缀踹^著“雙重生活”——一半時間在做物理，另一半時間在攀巖。而攀巖的美妙之處在于，當我在巖壁上時，腦子里可以完全放下物理的那些問題，什么都不用擔心。因為還有更緊急的事等著你，比如——怎么讓自己活著下山。而當我回到物理工作中時，又能暫時忘掉攀巖時那些“擦肩而過的死神時刻”。這兩件事反而互相清空了彼此的壓力，讓我能更好地應對各自的挑戰(zhàn)。

對我來說，我需要一個愛好，把自己從研究的世界里拉出來。要是整天光想物理，我真的會瘋掉，攀巖則是一個完全不同的世界。

問：你怎么看待人們追求在頂尖期刊發(fā)表論文這種現(xiàn)象？在某種程度上這反映了研究人員的學術貢獻，但如果過于執(zhí)著，也許也不太合適。同時，從更長遠的視角看，你認為我們應如何更公平地評價一個科學家的貢獻？

答：這個問題確實有點不好回答。不過，你稍微想一想就會發(fā)現(xiàn)：過去一年里，那些頂尖期刊上發(fā)表了多少論文？而其中真正重要的又有幾篇？答案是：很少。有些論文可能在一兩年內還有一定影響，但你去看看三十年、四十年之后，那些文章還有多少是被人記住、仍然有意義的？在我看來，能經得起時間考驗的，才是真正重要的成果。如果你一輩子能做出一項這樣的工作，那你已經非常幸運，也做得非常好了。

甚至一直以來，我會想：假如有 99% 的論文從未被人真正看見過，那科學的進展會因此受到嚴重影響嗎？我覺得答案是否定的。不會。所以我覺得，我們能做的，就是去研究那些自己真正感興趣的問題。如果你夠幸運，你做的東西也許會很重要，但也不用太在意貢獻這回事，就去享受科學本身帶給你的樂趣吧。

問：你是如何看待學術不端的？

答：這些行為當然是不對的，為什么呢，因為這種事遲早會被發(fā)現(xiàn)。如果你偽造數(shù)據(jù)，別人是無法重復出你的結果的。為什么會有人為了讓自己更成功而去造假？這些只是短期的得失。對我來說，這種做法看起來很愚蠢，真正重要的，是那些能經得起時間考驗的創(chuàng)新。

問：你以前是如何指導博士生的？

答：一般來說，我會跟他們談一些我自己感興趣的問題，然后跟他們說：“我覺得這個問題有意思，你要不要試試看？”有時候他們自己也會想到一些不錯的主意，繼而在那個方向上有些進展。

在我讀博士的時候，導師也從來沒有告訴我“你該做什么”。我更贊同這種給學生留有許多自由空間的模式?；仡^看，我意識到這種方式其實對我很有幫助，因為當你開始獨立研究時，是需要你自己想問題和探索的。盡管這種模式中，早期的訓練過程會由于缺乏指導而比較痛苦，但說實話，它真的很好。

有時候我看到一些學生，會很拼命地做一個課題，但其實導師已經把問題是什么、該怎么做都告訴他們了，他們就會照著做，然后做出了一點點不同的東西，但本質上還是一樣的道路。這樣下去，最后就只是在培養(yǎng)“可以復制的技術員”。

三

對科研趨勢的看法

問：從你個人的經驗以及歷史的角度來看，你是否仍然對某些具有重大應用前景的科學方向保持樂觀，比如室溫超導？

答：我其實沒怎么去特別想這些事。但如果我們真的能用室溫超導體來制造電線和輸電線路，那當然再好不過了。不過目前這方面還有似乎不少難題，也沒有人真正做成，但誰知道呢？

對我來說，所謂“應用”，更像是一種錦上添花。科學的進展，總是由不同的團體，包括理論學家、實驗學家，還有工程師一起推動的，每個人扮演的角色都不一樣，對吧？作為一個理論研究者，我并不一定非得看到什么實際應用才覺得有價值。我更感興趣的是理解事物的本質。即使一個現(xiàn)象暫時沒有應用前景，但能弄清楚它是怎么回事，本身就很讓人開心了。

問：這正好引出我們下一個問題。在申請科研資助時，很多人會盡量把自己的研究方向與政府或工業(yè)界的戰(zhàn)略需求對齊，這樣可能更容易獲得支持。你覺得，應該如何在這種“策略性選擇”和保持研究自主性之間找到平衡？

答：這個情況是無法避免的，畢竟，大多數(shù)事情都需要經費支持，這就是現(xiàn)實——做什么都要支付代價。個人而言，我很慶幸自己做的不是那種需要大量昂貴實驗設備的研究。如果哪天我真的得靠很復雜的實驗才能做出成果，可能我就直接放棄了，轉頭去研究別的課題。物理領域里，還有太多沒被解答的問題，不一定非得搞那些燒錢的項目。

問：但對大多數(shù)人來說，如果想要放棄或者轉換研究方向，往往意味著巨大的挑戰(zhàn)和代價。

答：是啊，你基本上得重新開始學習，那也是科學（或者說人生）有趣的地方。當然，有時候你可能沒有那個勇氣，或者你還要面對很多現(xiàn)實的責任和問題。但這種選擇，其實很多時候在你早期的職業(yè)階段就已經做出了。比如說，像我這樣做理論的，其實轉方向的成本并不算高。我們需要的就是我們的大腦，有時候在電腦上運行程序就夠了。但實驗就完全不一樣了。他們需要大量設備，而且很多時候還非常昂貴。一旦你把設備都投入進去了，就有點被“困住“了，想轉方向就變得很難。

對我來說，自由遠比成就重要。如果我每天早上醒來就說，“好！我今天要做點能拿諾貝爾獎的研究！”，那就太可笑了，因為你根本不知道你做的東西未來是不是重要的。反而更現(xiàn)實的情景是：你醒來發(fā)現(xiàn)，自己已經在某個問題上折騰了一個月，完全沒進展。那你就得承認，可能是時候換個方向，試點別的了。

問：你認為“創(chuàng)新”或者“突破”是可以被規(guī)劃的嗎？

答：這要看具體情況。你說的“突破”，如果是指那種能幫助我們理解自然本質的思想層面的突破，我覺得那是沒法計劃的。但如果是實驗上的突破，那在某種程度上是可以規(guī)劃的。因為很多時候，它們本質上就是一些工程問題。原則上，只要你有足夠的設備和資金，是有可能實現(xiàn)這些突破的。

問：那你怎么看公眾興趣在科學中的作用？

答：對我個人來說，公眾的興趣不是特別重要。說實話，我至今為止做的大多數(shù)研究，基本都沒有什么應用價值。一個問題，我解決了也好，沒解決也好，對這個世界其實沒什么太大影響。

問：但像Kosterlitz–Thouless 相變這樣的理論已經被廣泛應用到許多材料中，比如石墨烯。我想，這其中也有你的貢獻？

答：確實如此。石墨烯的出現(xiàn)令人振奮，人們用它做了很多事情。但你知道，它最初是怎么被發(fā)現(xiàn)的嗎？那位發(fā)現(xiàn)者只是把一段膠帶貼在石墨上，然后輕輕一撕——就這樣，一層原子厚度的石墨烯，就留在了膠帶的粘面上。沒什么高科技，也不是什么精密實驗，這才是科學真正的樣子。

問：最后一個問題——如果你現(xiàn)在還年輕，生活在這個時代，你會選擇怎樣的生活？為什么？

答：我大概還是會走上學術研究這條路吧，雖然這份工作的薪水并不豐厚。但至少，它能給人一些自由，讓你去做自己真正喜歡的事，哪怕是在一定的限制之內，也能自己決定人生的方向。

我對攀巖的熱愛也教會了我如何在幾乎沒錢的情況下去旅行、去生活。為了抵達遙遠的山地，我必須學會如何在極簡條件下生存——睡帳篷，甚至睡在路邊的灌木叢下……如果可以再年輕一次，我想我不會改變什么，因為現(xiàn)在回頭看，這些經歷都是不可思議的冒險。

我特別記得有一次差點喪命的經歷，當時我直面死亡。而真正救了我一命的，只是一塊半埋在冰里的小石頭，正好卡住了我，讓我沒有從冰面墜落。

這讓我明白了，生活，無論多無聊，也是美好的。

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