凝聚態(tài)物理學(xué)的喜悅

編譯 高斯寒

每個(gè)人似乎都在談?wù)撐锢韺W(xué)遇到的問題：提到這件事，理論物理學(xué)家彼得·沃伊特（Peter Woit）的《連錯(cuò)都算不上》（Not Even Wrong）、李·斯莫林（Lee Smolin）的《物理學(xué)的麻煩》（The Trouble With Physics）和德國女學(xué)者扎比內(nèi)·霍森費(fèi)爾德（Sabine Hossenfelder）的《迷失于數(shù)學(xué)》（Lost in Math）就立刻躍入腦海，而且這三本著作都引發(fā)了更廣泛的對話。然而，是否所有的物理學(xué)都面臨困難，或者只是部分物理學(xué)遭遇困境？假如你真的讀過這三本書，你會發(fā)現(xiàn)，它們的內(nèi)容都是關(guān)于所謂的“基礎(chǔ)”物理學(xué)。物理學(xué)的其他領(lǐng)域進(jìn)展不錯(cuò)，我想給各位讀者介紹其中的一個(gè)領(lǐng)域。這個(gè)領(lǐng)域名叫“凝聚態(tài)物理學(xué)”，是研究固相和液相的學(xué)科。我們目前正處在凝聚態(tài)物理學(xué)研究的黃金時(shí)代。

但是，首先要問一下，什么是基礎(chǔ)物理學(xué)？這是個(gè)難以捉摸的術(shù)語。你可能覺得，物理學(xué)中任何真正的變革性進(jìn)展都算是基礎(chǔ)物理學(xué)。但實(shí)際上物理學(xué)家對這個(gè)術(shù)語的用法更加精準(zhǔn)，定義狹隘。物理學(xué)的一項(xiàng)目標(biāo)是想出一些定律，使得我們原則上能夠用它們來預(yù)測實(shí)體宇宙中所能預(yù)測的一切。對這些定律的探尋被稱為基礎(chǔ)物理學(xué)。

上述的說法中有幾個(gè)詞至關(guān)重要。首先是“原則上”，原則上我們能用我們所知的基礎(chǔ)物理學(xué)來計(jì)算水的沸點(diǎn)，讓數(shù)值達(dá)到極其精準(zhǔn)的程度——但還沒人這么干過，因?yàn)橛?jì)算過程很困難。其次是“所能預(yù)測的一切”，就我們所知的而言，量子力學(xué)認(rèn)為萬物具有內(nèi)在固有的隨機(jī)性，這使得確定地實(shí)現(xiàn)某些預(yù)測變得不可能做到——而不只是不現(xiàn)實(shí)。這種內(nèi)在固有的隨機(jī)性有時(shí)隨著時(shí)間流逝，被一種名叫“混沌”的現(xiàn)象增益放大。出于這個(gè)原因，就算我們現(xiàn)在知曉關(guān)于宇宙的一切，我們也不可能準(zhǔn)確預(yù)測一年之后的天氣。因此，就算基礎(chǔ)物理學(xué)大獲成功，它也遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法對我們關(guān)于實(shí)體世界的所有問題給出答案。但基礎(chǔ)物理學(xué)依然至關(guān)重要，因?yàn)樗o予我們一個(gè)基本框架，我們在這個(gè)框架中能嘗試解答這些問題。

就目前而言，基礎(chǔ)物理學(xué)研究已經(jīng)給予我們標(biāo)準(zhǔn)模型（它試圖描述物質(zhì)和引力之外的所有力）和廣義相對論（它描述了引力）。這兩項(xiàng)理論極其成功，但我們知道它們并非最終的定論。好幾個(gè)大問題仍舊未獲知答案——譬如暗物質(zhì)的性質(zhì)問題，或者說是什么東西在愚弄我們，讓我們相信世上存在暗物質(zhì)？遺憾的是，從20世紀(jì)90年代開始，這些問題取得的進(jìn)展就十分緩慢。幸虧基礎(chǔ)物理學(xué)并非物理學(xué)的全部；在今時(shí)今日，它不再是物理學(xué)中最令人興奮的部分。在物理學(xué)的其他領(lǐng)域，仍然有許多讓人倍感振奮的新研究成果。其中許多成果——然而絕非是全部——來自凝聚態(tài)物理學(xué)。

傳統(tǒng)上，凝聚態(tài)物理學(xué)的任務(wù)是預(yù)測自然界中發(fā)現(xiàn)的液相與固相物質(zhì)的性質(zhì)。這個(gè)工作有時(shí)候非常困難：譬如說，計(jì)算水的沸點(diǎn)就很困難。但現(xiàn)在我們懂得不少基礎(chǔ)物理學(xué)，足以設(shè)計(jì)出奇特的新材料——再實(shí)際制造出這些材料，用實(shí)驗(yàn)探究它們的性質(zhì)，檢驗(yàn)材料機(jī)理的理論。更好的是，這些實(shí)驗(yàn)常常能夠在實(shí)驗(yàn)臺上完成，無需動用龐大的粒子加速器。

先來看一個(gè)例子。我們會從樸實(shí)無華的“空穴”（也被稱為電洞）講起。晶體是原子規(guī)則排列的產(chǎn)物，每個(gè)原子都有一些電子環(huán)繞著它運(yùn)動。當(dāng)一個(gè)電子以某種方式流失后，我們就得到一個(gè)“空穴”：一個(gè)流失了一個(gè)電子的原子。這個(gè)“空穴”實(shí)際上能像粒子一樣運(yùn)動！當(dāng)某個(gè)毗鄰原子的電子移動過來填補(bǔ)空穴，空穴就移動到毗鄰的原子。想象一隊(duì)人都戴著帽子，只有一個(gè)人光著腦袋。假如那人旁邊的人借帽子給他，光腦袋的人就變成他旁邊的人。假如這個(gè)過程不停地發(fā)生，光腦袋就會好像在隊(duì)伍中移動一般?？杖北旧砭谷荒芟褚患|西一樣移動！

著名物理學(xué)家保羅·狄拉克在1930年構(gòu)思出空穴的概念。他正確地預(yù)言，因?yàn)殡娮訋в胸?fù)電荷，空穴應(yīng)該帶有正電荷。狄拉克那時(shí)在研究基礎(chǔ)物理學(xué)：他希望能將質(zhì)子解釋為空穴。結(jié)果事實(shí)表明，他的猜想并不屬實(shí)。后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)能解釋成空穴的粒子：正電子。正電子就像電子那樣，不過是帶著正電荷。反物質(zhì)——它是正常物質(zhì)的邪惡孿生兄弟，與物質(zhì)擁有同樣的質(zhì)量，但所帶電荷相反——就這樣應(yīng)運(yùn)而生。（但那是另一個(gè)故事了。）

1931年，維爾納·海森堡將空穴的概念應(yīng)用于凝聚態(tài)物理學(xué)。他意識到，正如電子移動時(shí)產(chǎn)生電流一樣，空穴移動時(shí)也會產(chǎn)生電流。顯然，在一些名叫半導(dǎo)體（譬如在硅中摻入少量鋁）的材料中，空穴運(yùn)送著電流。在進(jìn)一步研發(fā)后，物理學(xué)家威廉·肖克利（William Shockley）申請了晶體管專利，晶體管利用空穴和電子來構(gòu)成開關(guān)。他后來借此獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，如今晶體管廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)芯片。

從基礎(chǔ)物理學(xué)的層面來說，半導(dǎo)體里的空穴其實(shí)不是粒子?？昭ㄖ皇且环N思考電子移動的方便方式，但任何一種足夠方便的抽象概念都能呈現(xiàn)出自身的重要性。描述空穴行為的方程式和那些描述粒子行為的方程式別無二致。因此，我們能像對待粒子一樣對待空穴。我們早已認(rèn)識到，空穴帶有正電荷。但因?yàn)橐心芰坎拍茏尶昭ㄒ苿悠饋?，空穴也表現(xiàn)得像擁有質(zhì)量一般。于是，我們通常賦予粒子的性質(zhì)也適用于空穴。

物理學(xué)家給那些行為表現(xiàn)像粒子、然而并非粒子的東西起了個(gè)名字，叫“準(zhǔn)粒子”。準(zhǔn)粒子有許多類型，空穴僅僅是最簡單的一種。準(zhǔn)粒子之美在于，我們實(shí)際上能按需訂制出準(zhǔn)粒子，讓它們擁有各種各樣的性質(zhì)。正如量子物理學(xué)家邁克爾·尼爾森（Michael Nielsen）所述，我們?nèi)缃裆钤凇霸O(shè)計(jì)物質(zhì)”時(shí)代。

譬如說，想一下激子（Exciton）的概念。因?yàn)殡娮訋ж?fù)電荷，空穴帶正電荷，它們會相互吸引。假如空穴比電子重得多——記住，空穴擁有質(zhì)量——電子能環(huán)繞空穴運(yùn)動，就像氫原子中電子繞著質(zhì)子運(yùn)動一般。于是，它們構(gòu)成了一種名叫激子的人造原子。

異性相吸 激子是由帶正電荷的“空穴”與帶負(fù)電的電子相互吸引而構(gòu)成的束縛態(tài)，圖片示意了激子如何在晶格內(nèi)移動

激子的概念能一直追溯至1931年。如今我們能在某些半導(dǎo)體及其他材料中制造出大量激子。激子持續(xù)不了太久：電子很快就落回空穴。這個(gè)過程常常只需要不到十億分之一秒的時(shí)間。那這點(diǎn)時(shí)間足夠做一些有意思的事。正如兩個(gè)氫原子能結(jié)合在一起，形成一個(gè)分子，兩個(gè)激子也能結(jié)合在一起，形成“雙激子”。激子也能與另一個(gè)空穴結(jié)合，形成帶電激子（Trion）。激子甚至能與光子結(jié)合，形成所謂“極化子”（Polariton）。它是物質(zhì)與光的混合！

我們能制造出人造原子氣體嗎？可以！在低密度和高溫條件下，激子四處快速移動的樣子酷似氣體中的原子。我們能制造出人造原子液體嗎？可以！在高密度和低溫條件下，激子撞上彼此，表現(xiàn)得像液體一樣。在更加低的溫度之下，激子甚至能形成“超流體”，黏度幾乎為零：假如你能以某種辦法讓它旋轉(zhuǎn)起來，它會幾乎永遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)下去。

以上僅僅是稍微介紹了當(dāng)今科研人員在凝聚態(tài)物理學(xué)所做的工作。除了激子，他們還研究另外的眾多準(zhǔn)粒子?！奥曌印保≒honon）是震動傳播經(jīng)過晶體后形成的準(zhǔn)粒子。“磁振子”（Magnon）是磁化的準(zhǔn)粒子：是電子脈沖經(jīng)過自旋翻轉(zhuǎn)的晶體的產(chǎn)物。這些準(zhǔn)粒子能繼續(xù)羅列下去，列舉出的東西變得越來越少為人知。

但在準(zhǔn)粒子之外，物理學(xué)領(lǐng)域中還有更多的可介紹內(nèi)容。物理學(xué)家如今能創(chuàng)造讓光速大幅下降的新材料，比如說讓光速降低到40英里每小時(shí)的速度。他們創(chuàng)造的新材料甚至能讓光以奇特的方式運(yùn)動，就像擁有兩個(gè)空間維度和兩個(gè)時(shí)間維度一樣，而不是通常的空間三維度外加一個(gè)時(shí)間維度。通常我們認(rèn)為時(shí)間只能朝一個(gè)方向前進(jìn)，但在這些物質(zhì)中，光可以在多個(gè)不同方向之中做選擇，它沿著這些方向都能“順著時(shí)間前進(jìn)”。另一方面，光的空間運(yùn)動局限于一個(gè)平面之中。

簡而言之，凝聚態(tài)物理學(xué)的可能性只受限于我們的想象力和物理學(xué)基本定律。

說到這兒，通常一些懷疑論者就會現(xiàn)身，質(zhì)疑這些研究有沒有用處。實(shí)際上，這些新材料中有部分很可能會派上用場。盡管許多凝聚態(tài)物理學(xué)研究與我前面描述的研究相比顯得不那么光彩奪目，但進(jìn)行那些研究正是為了研發(fā)性能更好的計(jì)算機(jī)芯片，為了推進(jìn)“光子學(xué)”之類的科技。光子學(xué)利用光而不是電子，帶來的成果無處不在，滲透于當(dāng)代科技產(chǎn)品中（譬如平板電視機(jī)），但物理學(xué)家如今的目標(biāo)是更為激進(jìn)的應(yīng)用，譬如用光來處理信息的新型計(jì)算機(jī)。

通常接著會出現(xiàn)另一類懷疑論者，質(zhì)問凝聚態(tài)物理學(xué)是否“僅僅是工程學(xué)”。當(dāng)然，這個(gè)問題的前提很侮辱人。工程學(xué)沒有任何不好！嘗試制造出有用的東西這件事本身很重要，而且是提出物理學(xué)相關(guān)的深刻新問題的重要途徑。比如說，整個(gè)熱力學(xué)領(lǐng)域以及熵的概念都部分源于人類嘗試建造更好的蒸汽機(jī)的努力。但凝聚態(tài)物理學(xué)不只是工程學(xué)，它的大部分內(nèi)容是沒有實(shí)際應(yīng)用的理論研究，探究物質(zhì)的種種可能性。

最近這段時(shí)期，凝聚態(tài)物理學(xué)研究領(lǐng)域和基本粒子研究或黑洞研究一樣，充滿讓人滿意的全新見解。凝聚態(tài)物理學(xué)取得的進(jìn)展迅速，與基礎(chǔ)物理學(xué)截然不同，部分原因是凝聚態(tài)物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)相對而言便宜又容易做，另外一部分原因是凝聚態(tài)物理有更多值得探索的新領(lǐng)域。

所以，假如你看見某人哀嚎于基礎(chǔ)物理學(xué)遇到的災(zāi)難，請認(rèn)真對待他們的看法，但不要因此沮喪失落。去找一篇凝聚態(tài)物理學(xué)的優(yōu)秀論文讀一下，你會立刻振作起來的。

資料來源 Nautilus