凝聚態物理學的喜悅

編譯 高斯寒

每個人似乎都在談論物理學遇到的問題：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·霍森費爾德（Sabine Hossenfelder）的《迷失于數學》（Lost in Math）就立刻躍入腦海，而且這三本著作都引發了更廣泛的對話。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，你會發現，它們的內容都是關于所謂的“基礎”物理學。物理學的其他領域進展不錯，我想給各位讀者介紹其中的一個領域。這個領域名叫“凝聚態物理學”，是研究固相和液相的學科。我們目前正處在凝聚態物理學研究的黃金時代。

但是，首先要問一下，什么是基礎物理學？這是個難以捉摸的術語。你可能覺得，物理學中任何真正的變革性進展都算是基礎物理學。但實際上物理學家對這個術語的用法更加精準，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測實體宇宙中所能預測的一切。對這些定律的探尋被稱為基礎物理學。

上述的說法中有幾個詞至關重要。首先是“原則上”，原則上我們能用我們所知的基礎物理學來計算水的沸點，讓數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“所能預測的一切”，就我們所知的而言，量子力學認為萬物具有內在固有的隨機性，這使得確定地實現某些預測變得不可能做到——而不只是不現實。這種內在固有的隨機性有時隨著時間流逝，被一種名叫“混沌”的現象增益放大。出于這個原因，就算我們現在知曉關于宇宙的一切，我們也不可能準確預測一年之后的天氣。因此，就算基礎物理學大獲成功，它也遠遠無法對我們關于實體世界的所有問題給出答案。但基礎物理學依然至關重要，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，基礎物理學研究已經給予我們標準模型（它試圖描述物質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——譬如暗物質的性質問題，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？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——來自凝聚態物理學。

傳統上，凝聚態物理學的任務是預測自然界中發現的液相與固相物質的性質。這個工作有時候非常困難：譬如說，計算水的沸點就很困難。但現在我們懂得不少基礎物理學，足以設計出奇特的新材料——再實際制造出這些材料，用實驗探究它們的性質，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。晶體是原子規則排列的產物，每個原子都有一些電子環繞著它運動。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年構思出空穴的概念。他正確地預言，因為電子帶有負電荷，空穴應該帶有正電荷。狄拉克那時在研究基礎物理學：他希望能將質子解釋為空穴。結果事實表明，他的猜想并不屬實。后來科學家發現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——它是正常物質的邪惡孿生兄弟，與物質擁有同樣的質量，但所帶電荷相反——就這樣應運而生。（但那是另一個故事了。）

1931年，維爾納·海森堡將空穴的概念應用于凝聚態物理學。他意識到，正如電子移動時產生電流一樣，空穴移動時也會產生電流。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成開關。他后來借此獲得1956年諾貝爾物理學獎，如今晶體管廣泛應用于計算機芯片。

從基礎物理學的層面來說，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，空穴也表現得像擁有質量一般。于是，我們通常賦予粒子的性質也適用于空穴。

物理學家給那些行為表現像粒子、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。正如量子物理學家邁克爾·尼爾森（Michael Nielsen）所述，我們如今生活在“設計物質”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，空穴擁有質量——電子能環繞空穴運動，就像氫原子中電子繞著質子運動一般。于是，它們構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成的束縛態，圖片示意了激子如何在晶格內移動

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合在一起，形成一個分子，兩個激子也能結合在一起，形成“雙激子”。激子也能與另一個空穴結合，形成帶電激子（Trion）。激子甚至能與光子結合，形成所謂“極化子”（Polariton）。它是物質與光的混合！

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起來，它會幾乎永遠旋轉下去。

以上僅僅是稍微介紹了當今科研人員在凝聚態物理學所做的工作。除了激子，他們還研究另外的眾多準粒子。“聲子”（Phonon）是震動傳播經過晶體后形成的準粒子?！按耪褡印保∕agnon）是磁化的準粒子：是電子脈沖經過自旋翻轉的晶體的產物。這些準粒子能繼續羅列下去，列舉出的東西變得越來越少為人知。

但在準粒子之外，物理學領域中還有更多的可介紹內容。物理學家如今能創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身，質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用，譬如用光來處理信息的新型計算機。

通常接著會出現另一類懷疑論者，質問凝聚態物理學是否“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的深刻新問題的重要途徑。比如說，整個熱力學領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。但凝聚態物理學不只是工程學，它的大部分內容是沒有實際應用的理論研究，探究物質的種種可能性。

最近這段時期，凝聚態物理學研究領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。凝聚態物理學取得的進展迅速，與基礎物理學截然不同，部分原因是凝聚態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物理有更多值得探索的新領域。

所以，假如你看見某人哀嚎于基礎物理學遇到的災難，請認真對待他們的看法，但不要因此沮喪失落。去找一篇凝聚態物理學的優秀論文讀一下，你會立刻振作起來的。

資料來源 Nautilus