凝聚态物理学的喜悦

编译 高斯寒

每个人似乎都在谈论物理学遇到的问题：提到这件事，理论物理学家彼得·沃伊特（Peter Woit）的《连错都算不上》（Not Even Wrong）、李·斯莫林（Lee Smolin）的《物理学的麻烦》（The Trouble With Physics）和德国女学者扎比内·霍森费尔德（Sabine Hossenfelder）的《迷失于数学》（Lost in Math）就立刻跃入脑海，而且这三本著作都引发了更广泛的对话。然而，是否所有的物理学都面临困难，或者只是部分物理学遭遇困境？假如你真的读过这三本书，你会发现，它们的内容都是关于所谓的“基础”物理学。物理学的其他领域进展不错，我想给各位读者介绍其中的一个领域。这个领域名叫“凝聚态物理学”，是研究固相和液相的学科。我们目前正处在凝聚态物理学研究的黄金时代。

但是，首先要问一下，什么是基础物理学？这是个难以捉摸的术语。你可能觉得，物理学中任何真正的变革性进展都算是基础物理学。但实际上物理学家对这个术语的用法更加精准，定义狭隘。物理学的一项目标是想出一些定律，使得我们原则上能够用它们来预测实体宇宙中所能预测的一切。对这些定律的探寻被称为基础物理学。

上述的说法中有几个词至关重要。首先是“原则上”，原则上我们能用我们所知的基础物理学来计算水的沸点，让数值达到极其精准的程度——但还没人这么干过，因为计算过程很困难。其次是“所能预测的一切”，就我们所知的而言，量子力学认为万物具有内在固有的随机性，这使得确定地实现某些预测变得不可能做到——而不只是不现实。这种内在固有的随机性有时随着时间流逝，被一种名叫“混沌”的现象增益放大。出于这个原因，就算我们现在知晓关于宇宙的一切，我们也不可能准确预测一年之后的天气。因此，就算基础物理学大获成功，它也远远无法对我们关于实体世界的所有问题给出答案。但基础物理学依然至关重要，因为它给予我们一个基本框架，我们在这个框架中能尝试解答这些问题。

就目前而言，基础物理学研究已经给予我们标准模型（它试图描述物质和引力之外的所有力）和广义相对论（它描述了引力）。这两项理论极其成功，但我们知道它们并非最终的定论。好几个大问题仍旧未获知答案——譬如暗物质的性质问题，或者说是什么东西在愚弄我们，让我们相信世上存在暗物质？遗憾的是，从20世纪90年代开始，这些问题取得的进展就十分缓慢。幸亏基础物理学并非物理学的全部；在今时今日，它不再是物理学中最令人兴奋的部分。在物理学的其他领域，仍然有许多让人倍感振奋的新研究成果。其中许多成果——然而绝非是全部——来自凝聚态物理学。

传统上，凝聚态物理学的任务是预测自然界中发现的液相与固相物质的性质。这个工作有时候非常困难：譬如说，计算水的沸点就很困难。但现在我们懂得不少基础物理学，足以设计出奇特的新材料——再实际制造出这些材料，用实验探究它们的性质，检验材料机理的理论。更好的是，这些实验常常能够在实验台上完成，无需动用庞大的粒子加速器。

先来看一个例子。我们会从朴实无华的“空穴”（也被称为电洞）讲起。晶体是原子规则排列的产物，每个原子都有一些电子环绕着它运动。当一个电子以某种方式流失后，我们就得到一个“空穴”：一个流失了一个电子的原子。这个“空穴”实际上能像粒子一样运动！当某个毗邻原子的电子移动过来填补空穴，空穴就移动到毗邻的原子。想象一队人都戴着帽子，只有一个人光着脑袋。假如那人旁边的人借帽子给他，光脑袋的人就变成他旁边的人。假如这个过程不停地发生，光脑袋就会好像在队伍中移动一般。空缺本身竟然能像一件东西一样移动！

著名物理学家保罗·狄拉克在1930年构思出空穴的概念。他正确地预言，因为电子带有负电荷，空穴应该带有正电荷。狄拉克那时在研究基础物理学：他希望能将质子解释为空穴。结果事实表明，他的猜想并不属实。后来科学家发现了另一个能解释成空穴的粒子：正电子。正电子就像电子那样，不过是带着正电荷。反物质——它是正常物质的邪恶孪生兄弟，与物质拥有同样的质量，但所带电荷相反——就这样应运而生。（但那是另一个故事了。）

1931年，维尔纳·海森堡将空穴的概念应用于凝聚态物理学。他意识到，正如电子移动时产生电流一样，空穴移动时也会产生电流。显然，在一些名叫半导体（譬如在硅中掺入少量铝）的材料中，空穴运送着电流。在进一步研发后，物理学家威廉·肖克利（William Shockley）申请了晶体管专利，晶体管利用空穴和电子来构成开关。他后来借此获得1956年诺贝尔物理学奖，如今晶体管广泛应用于计算机芯片。

从基础物理学的层面来说，半导体里的空穴其实不是粒子。空穴只是一种思考电子移动的方便方式，但任何一种足够方便的抽象概念都能呈现出自身的重要性。描述空穴行为的方程式和那些描述粒子行为的方程式别无二致。因此，我们能像对待粒子一样对待空穴。我们早已认识到，空穴带有正电荷。但因为要有能量才能让空穴移动起来，空穴也表现得像拥有质量一般。于是，我们通常赋予粒子的性质也适用于空穴。

物理学家给那些行为表现像粒子、然而并非粒子的东西起了个名字，叫“准粒子”。准粒子有许多类型，空穴仅仅是最简单的一种。准粒子之美在于，我们实际上能按需订制出准粒子，让它们拥有各种各样的性质。正如量子物理学家迈克尔·尼尔森（Michael Nielsen）所述，我们如今生活在“设计物质”时代。

譬如说，想一下激子（Exciton）的概念。因为电子带负电荷，空穴带正电荷，它们会相互吸引。假如空穴比电子重得多——记住，空穴拥有质量——电子能环绕空穴运动，就像氢原子中电子绕着质子运动一般。于是，它们构成了一种名叫激子的人造原子。

异性相吸 激子是由带正电荷的“空穴”与带负电的电子相互吸引而构成的束缚态，图片示意了激子如何在晶格内移动

激子的概念能一直追溯至1931年。如今我们能在某些半导体及其他材料中制造出大量激子。激子持续不了太久：电子很快就落回空穴。这个过程常常只需要不到十亿分之一秒的时间。那这点时间足够做一些有意思的事。正如两个氢原子能结合在一起，形成一个分子，两个激子也能结合在一起，形成“双激子”。激子也能与另一个空穴结合，形成带电激子（Trion）。激子甚至能与光子结合，形成所谓“极化子”（Polariton）。它是物质与光的混合！

我们能制造出人造原子气体吗？可以！在低密度和高温条件下，激子四处快速移动的样子酷似气体中的原子。我们能制造出人造原子液体吗？可以！在高密度和低温条件下，激子撞上彼此，表现得像液体一样。在更加低的温度之下，激子甚至能形成“超流体”，黏度几乎为零：假如你能以某种办法让它旋转起来，它会几乎永远旋转下去。

以上仅仅是稍微介绍了当今科研人员在凝聚态物理学所做的工作。除了激子，他们还研究另外的众多准粒子。“声子”（Phonon）是震动传播经过晶体后形成的准粒子。“磁振子”（Magnon）是磁化的准粒子：是电子脉冲经过自旋翻转的晶体的产物。这些准粒子能继续罗列下去，列举出的东西变得越来越少为人知。

但在准粒子之外，物理学领域中还有更多的可介绍内容。物理学家如今能创造让光速大幅下降的新材料，比如说让光速降低到40英里每小时的速度。他们创造的新材料甚至能让光以奇特的方式运动，就像拥有两个空间维度和两个时间维度一样，而不是通常的空间三维度外加一个时间维度。通常我们认为时间只能朝一个方向前进，但在这些物质中，光可以在多个不同方向之中做选择，它沿着这些方向都能“顺着时间前进”。另一方面，光的空间运动局限于一个平面之中。

简而言之，凝聚态物理学的可能性只受限于我们的想象力和物理学基本定律。

说到这儿，通常一些怀疑论者就会现身，质疑这些研究有没有用处。实际上，这些新材料中有部分很可能会派上用场。尽管许多凝聚态物理学研究与我前面描述的研究相比显得不那么光彩夺目，但进行那些研究正是为了研发性能更好的计算机芯片，为了推进“光子学”之类的科技。光子学利用光而不是电子，带来的成果无处不在，渗透于当代科技产品中（譬如平板电视机），但物理学家如今的目标是更为激进的应用，譬如用光来处理信息的新型计算机。

通常接着会出现另一类怀疑论者，质问凝聚态物理学是否“仅仅是工程学”。当然，这个问题的前提很侮辱人。工程学没有任何不好！尝试制造出有用的东西这件事本身很重要，而且是提出物理学相关的深刻新问题的重要途径。比如说，整个热力学领域以及熵的概念都部分源于人类尝试建造更好的蒸汽机的努力。但凝聚态物理学不只是工程学，它的大部分内容是没有实际应用的理论研究，探究物质的种种可能性。

最近这段时期，凝聚态物理学研究领域和基本粒子研究或黑洞研究一样，充满让人满意的全新见解。凝聚态物理学取得的进展迅速，与基础物理学截然不同，部分原因是凝聚态物理学的实验相对而言便宜又容易做，另外一部分原因是凝聚态物理有更多值得探索的新领域。

所以，假如你看见某人哀嚎于基础物理学遇到的灾难，请认真对待他们的看法，但不要因此沮丧失落。去找一篇凝聚态物理学的优秀论文读一下，你会立刻振作起来的。

资料来源 Nautilus