凝聚態物理：尋找自然美學中的真諦

如果你在校園裡遇到一群學物理的研究生，問他們所學專業是什麼？其中十有八九你會得到同一個答案——凝聚態物理學。是的，凝聚態物理學作為現代物理研究中最大的分支，據保守估計，世界上有80%以上的物理學家都來自此研究領域，作為科學家們助手的研究生，也一樣有如此龐大的隊伍。

那麼，凝聚態究竟是什麼東東？我們熟知傳統物理將物體分為三態：氣態、液態和固態。其中氣態中分子間距比較大（約為分子直徑的1000倍），以至於他們之間的電磁相互作用力非常微弱，比如理想氣體中分子間就不存在相互作用。然而液態和固態就不同了，他們之間分子間距很小，有的甚至是緊密排列在一起的，這導致分子/原子之間是緊緊抱團在一起，把它們分開需要付出一定的能量——這就是凝聚的力量！實際上凝聚態不僅僅包括液態和固態，也包括介於兩者之間的狀態——如液晶、玻璃、溶膠等狀態，對於分子間距較小的稠密氣體也屬於凝聚態的範疇。毫無疑問，自然界的絕大部分物質都屬於凝聚態。如果說物理研究的是「萬物之理」，那麼凝聚態研究對象就是「九千物之理」了。研究對象如此包羅萬象，研究的科學問題也意味著紛繁複雜，研究隊伍也就隨之龐大起來。因此，搞物理研究的絕大部分都是做凝聚態物理的，這話一點兒也不假。

既然是研究自然界中的常見物質材料，那麼凝聚態物理必定大有用武之地。我們的日常生活和工業生產都離不開各種材料的應用，比如我們穿的衣服，棉毛質的因為隔熱好而具有保暖性質，亞麻和滌綸等則因透氣性好而顯得清涼，而步入信息時代的現代社會，電腦裡面大部分是半導體材料做成的電子元器件，液晶和LED顯示器更是各種材料的傑作。在一些特殊場合，比如航空航天領域，就需要一些耐高溫且延展性好的金屬合金材料。而凝聚態物理，實際上就是在不斷探索和尋找具有新奇物性的材料，並不斷發掘這些新材料的物理特性，一方面從基本物理原理上來解釋這些性質的物理起源，為尋找更多的材料提供理論指導，另一方面則試圖在原型器件上將這些材料的特性加以應用，為人類生活編織更美好的未來。

點擊播放 GIF/2K

凝聚態物理的好玩之處就在於，在不斷探索新材料、發現新物性、揭示新機理、試圖新應用的過程中，領會大自然中最為原始的奧秘——自然之美。自然之美總是令人嘆為觀止的，自然的規律更是不斷誘發人類的好奇心。比如如果問到翩翩起舞的蝴蝶翅膀、婀娜多姿的人類身體和宏偉壯觀的故宮建築有什麼共同之處？那麼學凝聚態物理的同學一定能告訴你答案——那就是對稱性。對稱本身就是一種美，如果某人只有一隻眼睛或者一隻耳朵，就一定顯得怪異非常，就像電影《怪物公司》裡面的各種怪物一樣。有趣的是，自然在追求對稱之美的也同時存在不對稱之美。因為氫鍵的存在導致雪花冰晶有著各種各樣的形狀，雖然他們絕大部分都是整體上為六角形，但是細節上卻各有不同。正如一句名言道：「世界上不存在兩片完全相同的樹葉」，即便是只看一個貌似高度對稱的六角冰晶，它也總是在某些地方並不是那麼完美對稱的！對稱度的降低在凝聚態物理中叫做對稱破缺，正是這種對稱破缺給我們生活的世界帶來了多樣性，男孩的髮型有時偏分可能比中分更帥氣，而女孩若在一隻手上戴上手鐲也許更添標緻。在凝聚態物質中，對稱性的破缺意味著一種新的有序態產生，對應一種相變。如水結成冰，水分子就是從一種相對無序的狀態形成了有序的排列。我們常見的白糖、食鹽乃至鑽石都具有一定的規則幾何外形，這正是因為其內部原子存在規則有序排列所致。如果加熱到熔點以上，這些具有規則外形的晶體就會熔化，恢復到對稱性更高的液體，進一步加熱液體將會汽化成離散的氣體。類似地，如果我們只關注固體材料中的電子，那其實它們也存在類似的氣、液、固等狀態。在一些半導體多層膜的界面處，存在一種稀薄的二維電子氣（即電子之間的相互作用很弱，近似為自由電子），這種電子氣具有很高的遷移率，在極低溫和強磁場情況下會出現整數量子霍爾效應和分數量子霍爾效應等奇異的量子物理特性，是未來電子器件可能應用方向之一。在金屬材料中，某些情況下也可以近似把其中巡遊電子（即跑的最快的那些電子們）當做自由電子來處理，這樣就大致能解釋金屬材料的熱容等物理特性。實際上，金屬中電子總是存在相互作用的，如果它們之間的庫侖相互作用較弱，就可以近似看做電子液體，正是電子液體的本徵物性導致材料整體的力、熱、光、電等物理性質。如果電子之間的相互作用進一步加強，在凝聚態物理中稱之為強關聯體系，該領域是物理學研究的前沿之一，至今尚無成熟的理論體系。至於電子能否像原子那樣形成規則排列的電子固體，則有待科學的進一步探索和研究。在凝聚態物理中，電子態的對稱性破缺會產生一系列有趣的物理現象，例如：電子依靠中間媒介兩兩配對後可以凝聚成具有零電阻的超導態；電子自旋磁矩取向一致的時候可以形成磁性很強的鐵磁態；相鄰電子聚攏在一起可以形成電荷密度波態等等。理論物理學家告訴我們，一種對稱性的存在必然對應著一種守恆律，反之一種守恆律也必然對應一種對稱性。在當今凝聚態物理前沿研究中有種材料叫拓撲絕緣體，其內部的電子在能量-動量分部上受到時間反演對稱性的保護，因此存在類似粒子物理學中的宇稱守恆，儘管在材料內部是絕緣體，但是在材料表面卻是穩定存在的金屬性質。最近，中國科學家在該材料上觀測到了量子反常霍爾效應，如果應用到未來電子器件，很有可能會出現翻天覆地的新一代信息革命。

至此，你估計大致了解凝聚態物理學的研究內容：在原子尺度下，研究凝聚狀態下材料中的分子/原子/電子分布排列方式和相互作用模式，從而理解材料整體的力、熱、光、電、磁等物理特性。也許你會疑惑，在現代物理學大廈中，自然界的四種基本相互作用和基本粒子的標準模型都已經完成，也就是說，我們對原子的個體或電子的個體已經了解很透徹了，為什麼還需要費老大勁去理解一堆原子組成的凝聚體呢？這恰恰是凝聚態物理的核心觀念所在，因為微觀粒子遵從的量子力學和宏觀物體遵從的經典物理大有區別，在這裡1+1往往是大於2的，而2-1也未必等於1。事實上，我們知道凝聚態物質里含有的原子數目在1023（即阿伏伽德羅常數）量級，而這些原子可是存在相互作用的，其中的電子亦是如此，不僅電子和原子核存在相互作用，電子和電子之間也存在相互作用。正所謂「多了就是不一樣」，如此之多的微觀粒子在一起可不是吃素的，它們之間複雜的相互作用會導致各種各樣新奇的物理現象，而不是每個原子簡單的累加。例如許多蛋白質大分子在原子含量甚至是原子排布上都是大同小異的，但是它們的摺疊方式不同會導致整個分子的生物功能完全不同。另一方面，如果我們反其道而行之，假如把三維材料限制成近二維（比如薄膜或單原子層材料）、一維甚至零維，也會得到令人神奇的效果，比如單層的石墨原子材料叫做石墨烯，非常堅硬和牢固，且傳導電子非常快，性能上已經大大優於石墨。或者我們可以將這一大堆原子分成一小撮一小撮的原子團簇，那麼它們體現的物理性質又將標新立異。我們的自然界神奇吧？凝聚態物理學正是專門為你揭示這些自然美學真諦的一門學科。

了解凝聚態物理學是做啥的之後，讓我們來看看怎麼做凝聚態物理的研究吧。凝聚態物理大致也分為理論計算和實驗研究兩大塊。理論計算就是從原子層面上去分析凝聚物質中原子/電子之間的相互作用，利用量子力學的基本原理去推演其可能出現的微觀狀態。從數學角度嚴格來說，凡是大於等於三個物體組成的相互作用系統是有無數不確定解的，要知道，我們凝聚態物質要處理的系統可是1023之多的個體！好在物理學家不會太死腦筋，他們聰明地利用了這種材料本身的對稱性——大部分情況下原子實際上是存在規則排列結構的，以及解決問題的關鍵因素——影響其某種物理特性的起因只有少數幾種相互作用有效，加之引入其他近似方法，利用現代先進的計算機組，物理學家們就可以模擬計算出材料的各種物理特性了。物理學的基石在於實驗，任何理論都需要經受實驗的反覆驗證才能最終被人們所接受，因此，凝聚態物理學更多的是需要做大量的實驗研究。這些實驗研究無非是從宏觀上研究凝聚物質的力、熱、光、電、磁等物理特性，以及從微觀上研究其原子排布、電子能量和動量分布以及它們之間的相互作用等。話雖說起來簡單，但實際做起來絕對不像過家家那麼輕鬆。在凝聚態物理實驗研究中，首先第一步需要獲得可做實驗的樣品。樣品的質量會直接決定你實驗的成敗，而能否得到好的樣品在於不斷地重複和探索。當年愛迪生尋找了一千多種材料才找到合適的白熾燈絲，可以毫不誇張地說，這只是在凝聚態物理實驗樣品製備過程中一個司空見慣的例子而已。許多時候，製備樣品所需要的知識僅僅是中學物理和化學就夠了，而更需要的是反覆嘗試和無數重複的簡單體力勞動，經歷無數次失敗之後才能撥雲見日，在偶然一次取得小小成功，然後才有希望取得更大的成功。製備這些樣品往往需要一些特殊作用的爐子或者鍍膜機之類的設備，所以做樣品的人往往被叫做「鍋爐工」、「炒菜師傅」、「煉丹術士」之類的，因為他們的主要任務就是把各種原材料通過物理和化學過程轉變為實驗所需要的樣品。有了樣品之後，你將需要一台很好的精密儀器，儀器的解析度、穩定度、工作效率等性能越高就意味著實驗的成功就越有希望，很多時候在前沿科學研究中，因為市場太小或造價太貴等因素，商業化的儀器並不存在，因此好的測量儀器往往需要你親自搭建起來，這不僅僅需要用到物理學知識，還需要大量關於機械設計和加工、電路設計和搭建、信號採取和微機通訊等多方面的工科知識，真的是需要「八仙過海各顯神通」。有了樣品和儀器，下一步你需要設計一個精巧的實驗，以讓你的實驗結果能夠反映理論的預言或設想，執行實驗過程是比較枯燥和單調的，但絕不能失去細心和耐心，而且最終實驗結果需要能夠得以重複，並能確認所採集數據不是來自其他干擾因素，這需要經驗也需要判斷。實驗結果是否可靠在於實驗過程是否準確無誤，要不然會貽笑大方甚至誤導別人，記得中微子超光速的實驗錯誤就在於其中一個負責信號通訊的優盤沒有插好！好了，有了實驗數據結果，下一步就是數據分析和理論解釋了，我們需要剔除實驗數據中不相關因素，提取其中能反映物理本質的內容，和理論預言進行對比，尋找合適的理論解釋。至此，我們才從實驗和理論的兩個不同角度得到了凝聚態物質特性的本質認識。

在中國的哪裡可以從事凝聚態物理學的研究？中國的很多高校和科研院所都設有凝聚態物理學專業，幾乎任何一個綜合性大學都會有該專業。在研究所中，坐落在中關村的北京凝聚態物理國家實驗室是凝聚態物理學的代表性研究基地，它囊括了超導、磁學、表面科學、光學、先進材料、極端條件物理、納米科學、軟物質、固態量子信息和凝聚態理論與計算等研究領域，學科範圍從凝聚態物理學延伸至材料科學、能源科學、信息科學以及生物科學等。在高校中，北京大學、南京大學、中國科大、浙江大學、復旦大學、吉林大學、清華大學、北京師大、人民大學、山東大學、香港科大等許多高校物理系都具有相當不錯的實力且各具特色。中國的凝聚態物理研究在諸多老一輩科學家的奠基、一大批中年科研主力的極力推進和眾多青年科學工作者的熱情投入中，正在不斷蓬勃發展。近些年來，在高溫超導、拓撲絕緣體等諸多領域的研究，已經完全達到世界一流水平，一些研究工作甚至引領了基礎科研的潮流。用美國著名學術期刊《科學》評價的一句話來說，就是這些研究「將中國凝聚態物理學家推向了世界最前沿」。我們完全有理由相信，未來中國物理研究的世界級學術明星們中，必然大部分來自凝聚態物理學，也許其中一位就是你自己！

作者：羅會仟

本文末右下角留言評論、發表你的觀點

請您繼續閱讀更多來自 天文物理 的精彩文章:

TAG:天文物理 |

※「美」才是物理的真諦
※于渌：中国凝聚态物理的进展和未来
※物理學的奇蹟
※物理學的邊緣：引力真的存在嗎？
※物理學中的哲學原理！
※物理學中的理論概念
※《物理學之美》：探索物理世界的結構與理論之美
※物理學中的闡釋：時間真的存在嗎？
※撫摩上帝美妙的脈搏——阿·熱《可怕的對稱——現代物理學中美的探索》
※物理學霸一直想不明白的「各種發電與物理原理」！看了這些圖全都恍然大悟！
※物理學家惠斯通有什麼成就：發現物理的美
※精氣神理論趣解核物理學常識，質子和中子是幹嘛的？
※物理諾獎解讀：拓撲學在物理研究中有哪些具體應用？
※物理學的極限，宇宙中的是否存在蟲洞！
※物理學家有可能已經發現了存在宇宙中的暗物質
※《三體》中的物理學
※怎樣在教學中將物理與辯證唯物主義哲學觀相結合
※《三體》中的奇妙物理學
※從物理學的角度看易經