弦理论被设计为统一量子力学定律和引力定律的一种方式，其目标是创建备受推崇的“万物理论”。
苏比尔·萨赫德夫正在从字面上理解“一切”。他正在将弦理论的数学应用于物理学另一端的一个主要问题——一类被称为高温超导体的潜在革命性材料的行为。
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这些材料是最有希望且最令人困惑的材料之一。与需要冷却到接近绝对零度（-273.15摄氏度）才能通过无摩擦电流的普通超导体不同，高温超导体在更宽松的条件下也能产生同样的卓越性能。自从1986年发现第一个高温超导体以来，物理学家们已经发现了其他在越来越高的温度下表现出超导性的材料，目前的记录是-70摄氏度。
尽管物理学家不了解这些超导体是如何工作的，但这一进展仍在发生。广义上讲，许多凝聚态物理学家研究电子（电流的载体）如何在给定的材料中移动。在像铜或金这样的普通导体中，电子流过由铜或金原子形成的晶格。在像金刚石这样的绝缘体中，电子倾向于保持静止。在超导体中，电子在底层原子晶格中移动时根本没有能量损失。三十年来，物理学家一直未能开发出一种全面的理论来解释高温超导体中的电子是如何运作的。
一个特别有趣的问题是材料的行为如何随着温度而变化——特别是，当温度下降时，导体如何从普通状态转变为超导状态。科学家称之为“量子相变”，其中两个相是转变温度两侧材料的特性。
哈佛大学的凝聚态物理学家萨赫德夫解释说，挑战在于规模。一块典型的材料有数万亿个电子。当这些电子相互作用时——就像在超导体中一样——它们变得无法追踪。在某些物质相中，物理学家已经能够通过将成群的电子建模为“准粒子”（表现得像单个粒子的量子激发）来克服这个规模问题。但是，准粒子策略在高温超导体中不起作用，迫使物理学家寻找另一种方法来对这些材料中电子的行为施加集体秩序。
2007年，萨赫德夫有了一个惊人的见解：他意识到弦理论的某些特征与高温超导体中发现的电子汤相对应。自那以来，萨赫德夫开发了弦理论模型，为思考高温超导体中的电子行为提供了方法。他利用这些想法设计了对石墨烯等材料的真实世界实验，石墨烯是一种扁平的碳原子片，其特性与他感兴趣的材料相似。
在《科学》杂志即将发表的一篇论文中，他和他的合作者使用从弦理论借用的方法来正确预测与石墨烯中热量和电荷流动相关的实验结果。现在，他希望将他的见解应用于高温超导体本身。
《量子杂志》与萨赫德夫讨论了高温超导体中的电子与黑洞的关系、他最近在石墨烯方面的成功，以及为什么凝聚态物理学中最知名的人物怀疑弦理论方法是否奏效。以下是经过编辑和浓缩的采访版本。
量子杂志：高温超导体内部发生了什么？
苏比尔·萨赫德夫：旧材料和新材料之间的区别在于，在旧材料中，电子相互独立地导电。它们遵循不相容原理，即电子不能同时占据相同的量子态，并且它们彼此独立地运动。在我和许多其他人研究的新材料中，很明显，这种独立电子模型是失败的。总的来说，它们的运动是协作的，特别是，它们是纠缠的——它们的量子特性是相互关联的。
这种纠缠使得高温超导体比普通超导体更难建模。您是如何看待这个问题的？
通常，我通过对物质量子相的分类来解决这个问题。简单量子相的例子有银和金等简单金属，或金刚石等简单绝缘体。其中许多相都得到了很好的理解，并且在我们日常生活中随处可见。自从我们发现高温超导体以及许多其他新材料以来，我们一直在努力理解当数万亿个电子遵循量子原理并且彼此相互作用时，可能会出现的其他物理特性。我的脑海里一直希望，对物质量子相的广泛攻击将有助于更深入地理解高温超导体。
您取得了多大进展？
在理解量子相变理论方面取得了巨大进展，这涉及到采用两个彼此非常不同的量子物质相，并调整一些参数（例如，晶体上的压力），并询问当材料从一个相转变为另一个相时会发生什么。对于一类广泛的量子相变，已经取得了巨大的进展。我们现在了解许多我们以前不知道存在的不同类型的相。
但是，很难开发出关于电子在高温超导体中的行为的完整理论。为什么？
如果只有一个电子在晶格中移动，那么您真正需要担心的只是该电子可以占据的不同位置。即使位置的数量很多，这几乎也是您可以在计算机上处理的事情。
但是，一旦您开始谈论许多电子，您就必须以非常不同的方式来考虑它。一种思考方式是假设晶格上的每个位置都可以是空的或满的。对于N个位置，它是2N，因此可能性是难以想象的。在这大量的可能性中，您必须对电子倾向于做的合理事情进行分类。简而言之，这就是它为什么是一个难题的原因。
回到相变，您已经花费大量时间研究高温超导体在温度过高时会发生什么。此时，它会变成所谓的“奇异金属”。为什么理解奇异金属有助于您理解高温超导体？
如果您从超导体开始并升高温度，则存在一个临界温度，在该温度下超导性消失。就在此温度之上，您会得到一种称为奇异金属的金属类型，因为它的许多特性与普通金属非常不同。现在想象一下反转路径，以便当系统低于临界温度时，系统的相从奇异金属状态变为超导状态。如果我们想确定发生这种情况的温度，我们需要比较临界温度两侧的量子态的能量。但是，奇异金属在各个方面看起来都很奇怪，并且我们只有最简单的模型来描述它们的物理特性。
是什么使奇异金属与其他独特的量子相如此不同？
在某些相中，[量子]激发通常表现得像新的涌现粒子。它们是准粒子。它们的内部结构非常复杂，但从外部来看，它们看起来像普通粒子。多体态的准粒子理论几乎适用于我们在旧材料中发现的所有态。
奇异金属是我们所知的准粒子理论失效的最突出的例子之一。这就是为什么研究它们更加困难的原因，因为多体理论的这种基本工具不适用。
您认为弦理论可能有助于理解缺乏准粒子的量子相，例如奇异金属。弦理论在这种情况下如何有用？
从我的角度来看，弦理论是另一种强大的数学工具，用于理解大量量子纠缠粒子。特别是，在弦理论的某些相中，您可以想象弦的末端粘在表面上。如果你是一只在表面上移动的蚂蚁，你只会看到弦的末端。对你来说，这些末端看起来像粒子，但实际上粒子是由一根通向额外维度的弦连接起来的。对你来说，这些坐在表面的粒子看起来是纠缠的，正是额外维度中的弦使粒子纠缠在一起。这是一种描述纠缠的不同方式。
现在你可以想象继续这个过程，不仅仅是两个电子，而是四个、六个，无穷多个电子，观察电子可以形成的不同纠缠态。这与物质相的分类密切相关。这是一种纠缠的分层描述，其中每个电子找到一个伙伴，然后这些配对的电子与其他配对的电子纠缠，以此类推。你可以使用弦的描述来构建这种层次结构。因此，这是谈论数万亿电子纠缠的一种方法。
弦理论在奇异金属中的应用有一些有趣的含义。例如，它使你将奇异金属与黑洞的性质联系起来。你如何从一个过渡到另一个？
在弦理论的图景中，[改变电子的密度] 对应于在黑洞上施加电荷。在过去五年左右的时间里，很多人一直在研究这个问题——试图从带电黑洞的性质中理解奇异金属的某些特性。我最近有一篇论文，其中我实际上发现了一个人工的电子在晶格上运动的模型，其中许多特性与带电黑洞的特性完全匹配。
我读到过，被许多人认为是当今最有影响力的凝聚态物理学家菲利普·安德森，对弦理论是否真的有助于理解奇异金属持怀疑态度。你知道这是真的吗？
我认为这是正确的。他自己告诉我他不相信这些，但是，你知道，我还能说什么呢，他是一个有自己观点的聪明人。我想说的是，当我们2007年首次提出这个想法时，它听起来确实很疯狂。从那以后，已经取得了很大的进展。我与菲利普·金和其他人合写了一篇新论文，其中发现对于石墨烯这种略微不那么奇异的金属，许多受弦理论启发的理论方法已经得出了可以通过实验验证的定量预测。
我认为这是迄今为止弦理论方法最成功的案例之一。它确实有效；你可以得到正确的数字。但是石墨烯是一个简单的系统，这些方法是否适用于高温超导体尚未得到证实。
你能详细说明一下为什么安德森可能对你采用的方法持怀疑态度吗？
如果你回顾并实际查看弦理论模型，从表面上看，它们与高温超导体所需的模型看起来截然不同。你查看弦模型及其组成部分，似乎这些与高温超导体的组成部分相关联是荒谬的。但是，如果你从这个角度来看，好吧，我并不是说这个模型会在[高温超导体]中被发现，这只是一个帮助我在难题上取得进展的模型，例如没有准粒子的材料如何表现，弦理论为你提供了一个可以可靠解决的此类材料的例子。
你在多大程度上字面意思地使用弦理论？是直接应用，还是从中汲取灵感？
它更接近于灵感方面。一旦你解决了模型，它就会为你提供很多关于其他你可能无法解决的模型的见解。在接近弦理论方面工作了六七年后，我们认为我们已经学到了很多东西。对我们来说，下一步似乎是利用我们从更容易解决的模型中获得的灵感，在更真实的系统中工作。
弦理论模型，加上石墨烯方面的工作，如何使你能够理解高温超导体的特性？ 当你改变高温超导体中电子的密度时，会发生更戏剧性的变化，其中电子从看起来只有少数电子是可移动的区域转变为所有电子都是可移动的区域。我们正在理解，存在一个被称为最佳密度的特殊点，在该点处，电子的量子态似乎发生了巨大的变化。而就在这个点附近也观察到了奇异金属。我们正在努力研究这个量子态发生变化的特殊点的微观理论，弦模型可以教会我们很多关于这种量子临界点的信息。一旦我们有了完整的框架，我们就有希望和乐观地认为，我们可以从石墨烯中吸取许多见解，并将它们应用到这个更复杂的模型中。这就是我们现在的状态。
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