亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        凝聚態(tài)物理學的喜悅

        2021-04-23 13:19:22編譯高斯寒
        世界科學 2021年4期
        關(guān)鍵詞:凝聚態(tài)激子物理學家

        編譯 高斯寒

        每個人似乎都在談?wù)撐锢韺W遇到的問題:提到這件事,理論物理學家彼得·沃伊特(Peter Woit)的《連錯都算不上》(Not Even Wrong)、李·斯莫林(Lee Smolin)的《物理學的麻煩》(The Trouble With Physics)和德國女學者扎比內(nèi)·霍森費爾德(Sabine Hossenfelder)的《迷失于數(shù)學》(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,是否所有的物理學都面臨困難,或者只是部分物理學遭遇困境?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。物理學的其他領(lǐng)域進展不錯,我想給各位讀者介紹其中的一個領(lǐng)域。這個領(lǐng)域名叫“凝聚態(tài)物理學”,是研究固相和液相的學科。我們目前正處在凝聚態(tài)物理學研究的黃金時代。

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

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

        就目前而言,基礎(chǔ)物理學研究已經(jīng)給予我們標準模型(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)。這兩項理論極其成功,但我們知道它們并非最終的定論。好幾個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90年代開始,這些問題取得的進展就十分緩慢。幸虧基礎(chǔ)物理學并非物理學的全部;在今時今日,它不再是物理學中最令人興奮的部分。在物理學的其他領(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。

        傳統(tǒng)上,凝聚態(tài)物理學的任務(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)。這個工作有時候非常困難:譬如說,計算水的沸點就很困難。但現(xiàn)在我們懂得不少基礎(chǔ)物理學,足以設(shè)計出奇特的新材料——再實際制造出這些材料,用實驗探究它們的性質(zhì),檢驗材料機理的理論。更好的是,這些實驗常常能夠在實驗臺上完成,無需動用龐大的粒子加速器。

        先來看一個例子。我們會從樸實無華的“空穴”(也被稱為電洞)講起。晶體是原子規(guī)則排列的產(chǎn)物,每個原子都有一些電子環(huán)繞著它運動。當一個電子以某種方式流失后,我們就得到一個“空穴”:一個流失了一個電子的原子。這個“空穴”實際上能像粒子一樣運動!當某個毗鄰原子的電子移動過來填補空穴,空穴就移動到毗鄰的原子。想象一隊人都戴著帽子,只有一個人光著腦袋。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。假如這個過程不停地發(fā)生,光腦袋就會好像在隊伍中移動一般??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,因為電子帶有負電荷,空穴應(yīng)該帶有正電荷。狄拉克那時在研究基礎(chǔ)物理學:他希望能將質(zhì)子解釋為空穴。結(jié)果事實表明,他的猜想并不屬實。后來科學家發(fā)現(xiàn)了另一個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)運而生。(但那是另一個故事了。)

        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。他意識到,正如電子移動時產(chǎn)生電流一樣,空穴移動時也會產(chǎn)生電流。顯然,在一些名叫半導體(譬如在硅中摻入少量鋁)的材料中,空穴運送著電流。在進一步研發(fā)后,物理學家威廉·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年諾貝爾物理學獎,如今晶體管廣泛應(yīng)用于計算機芯片。

        從基礎(chǔ)物理學的層面來說,半導體里的空穴其實不是粒子??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。我們早已認識到,空穴帶有正電荷。但因為要有能量才能讓空穴移動起來,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。

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

        譬如說,想一下激子(Exciton)的概念。因為電子帶負電荷,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)繞空穴運動,就像氫原子中電子繞著質(zhì)子運動一般。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。這個過程常常只需要不到十億分之一秒的時間。那這點時間足夠做一些有意思的事。正如兩個氫原子能結(jié)合在一起,形成一個分子,兩個激子也能結(jié)合在一起,形成“雙激子”。激子也能與另一個空穴結(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,它會幾乎永遠旋轉(zhuǎn)下去。

        以上僅僅是稍微介紹了當今科研人員在凝聚態(tài)物理學所做的工作。除了激子,他們還研究另外的眾多準粒子?!奥曌印保≒honon)是震動傳播經(jīng)過晶體后形成的準粒子?!按耪褡印保∕agnon)是磁化的準粒子: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。

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

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

        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)物理學研究與我前面描述的研究相比顯得不那么光彩奪目,但進行那些研究正是為了研發(fā)性能更好的計算機芯片,為了推進“光子學”之類的科技。光子學利用光而不是電子,帶來的成果無處不在,滲透于當代科技產(chǎn)品中(譬如平板電視機),但物理學家如今的目標是更為激進的應(yīng)用,譬如用光來處理信息的新型計算機。

        通常接著會出現(xiàn)另一類懷疑論者,質(zhì)問凝聚態(tài)物理學是否“僅僅是工程學”。當然,這個問題的前提很侮辱人。工程學沒有任何不好!嘗試制造出有用的東西這件事本身很重要,而且是提出物理學相關(guān)的深刻新問題的重要途徑。比如說,整個熱力學領(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的努力。但凝聚態(tài)物理學不只是工程學,它的大部分內(nèi)容是沒有實際應(yīng)用的理論研究,探究物質(zhì)的種種可能性。

        最近這段時期,凝聚態(tài)物理學研究領(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)物理學取得的進展迅速,與基礎(chǔ)物理學截然不同,部分原因是凝聚態(tài)物理學的實驗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)物理學遇到的災(zāi)難,請認真對待他們的看法,但不要因此沮喪失落。去找一篇凝聚態(tài)物理學的優(yōu)秀論文讀一下,你會立刻振作起來的。

        資料來源 Nautilus

        猜你喜歡
        凝聚態(tài)激子物理學家
        纏結(jié)度對UHMWPEE凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)和沖擊強度的影響研究
        贊國家最高科學技術(shù)獎獲得者薛其坤院士
        分子玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)首次形成
        科學導報(2024年39期)2024-07-01 10:05:53
        凝聚態(tài)合成毒死蜱
        法國數(shù)學家、物理學家傅里葉
        少兒科技(2021年12期)2021-01-20 23:19:19
        弗里曼·戴森 當代罕見的數(shù)學物理學家和思想家
        科學(2020年6期)2020-02-06 08:59:48
        CdSeS合金結(jié)構(gòu)量子點的多激子俄歇復(fù)合過程*
        物理學報(2019年10期)2019-06-04 05:31:52
        找到你了,激子素
        科學之謎(2018年3期)2018-04-09 06:37:46
        異同
        故事會(2018年4期)2018-03-01 15:22:45
        長程電子關(guān)聯(lián)對聚合物中激子極化率的影響
        国产成人av在线影院无毒| www夜插内射视频网站| 99久久无色码中文字幕人妻蜜柚| 国产成人精品午夜二三区波多野| 老熟女高潮一区二区三区| 国产精品九九热| 99熟妇人妻精品一区五一看片 | 樱桃视频影院在线播放| 青青草原综合久久大伊人| 色窝窝无码一区二区三区2022 | 在线观看国产视频你懂得| 成人爽a毛片免费视频| 国产午夜精品一区二区三区软件| 久久精品国产热| 亚洲国产av一区二区三| 99久久婷婷国产精品网| 2019nv天堂香蕉在线观看| 51国产黑色丝袜高跟鞋| 双腿张开被9个黑人调教影片| 91色婷婷成人精品亚洲| 侵犯了美丽丰满人妻中文字幕| 国产玉足榨精视频在线观看| 无码免费一区二区三区| 久久久久亚洲av成人网址| 亚洲一区二区国产精品视频| 亚洲av成人一区二区| 夹得好湿真拔不出来了动态图| 一本一道久久综合狠狠老| av一区二区三区亚洲| 国产av一区二区三区狼人香蕉| 日本人妖熟女另类二区| 成人免费xxxxx在线观看| 俺来也俺去啦久久综合网| 免费人成视频网站在线观看不卡 | 亚洲综合一| 邻居少妇太爽在线观看| 精品国产午夜肉伦伦影院| 亚洲毛片αv无线播放一区 | 色天使综合婷婷国产日韩av| 亚洲综合无码一区二区三区| 一区二区三区蜜桃在线视频|