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凝聚态|对称破缺——凝聚态中的物理美

凝聚态|对称破缺——凝聚态中的物理美
图1：凝聚态大师朗道和安德森
撰文 | 张天蓉
责编 | 宁茜
巴丁（John Bardeen ， 1908 – 1991）所获的两次诺奖都与凝聚态研究有关 。 凝聚态以量子理论为基础 ， 在量子场论建立之后 ， 理论物理朝两个不同的方向发展：粒子物理（particle physics）和凝聚态物理（condensed matter physics） 。 公众的眼光大多数投向传统的、以还原论思想为指导的高能粒子物理 ， 以为那才是物理的正统方向 。
然而实际上 ， 当今的物理学家中 ， 很大一部分是在做凝聚态物理的相关研究 ， 包括理论和实验两个方面 。 凝聚态物理的理论部分 ， 与粒子物理理论有许多相通之处 。 近百年来从固体到凝聚态的研究 ， 在实用上促进了信息技术蓬勃发展 ， 带给人们一次又一次的惊喜 ， 典型范例是晶体管和超导 。 凝聚态物理在理论上独树一帜：凝聚态研究遵循的层展论 ， 对科学思想、科学哲学等方面作出了重大贡献；凝聚态有关对称破缺的思想 ， 被用于粒子物理中获取质量的希格斯机制 。
朗道的相变理论
前苏联知名物理学家列夫·朗道（Lev Landau ， 1908-1968）是物理界的一位大师级人物 ， 在理论物理多个领域中都有重大贡献 。 在中国学术界的心目中 ， 朗道和费曼一样 ， 是一位“学术卓著、特立独行”的传奇性人物 。 费曼因他的数本自传式读物而广为人知 ， 朗道则以其一系列大厚本的经典物理教材而享誉学界 。 有关朗道的故事 ， 如此一篇文章是写不完道不尽的 ， 请见参考资料[1] 。
凝聚态|对称破缺——凝聚态中的物理美
图2：年轻的朗道与玻尔、海森堡、泡利、伽莫夫等在一起
朗道的费米液体（Fermi Liquid）及相变（Phase Transition）等理论 ， 奠定了整个凝聚态物理的基础 。 费米液体理论 ， 让我们可以在处理多粒子的凝聚态物理中继续使用单粒子图像 。 此外 ， 朗道提出的相变理论与对称性破缺理论相关 ， 让我们能够用序参量来描述凝聚态系统的宏观态 ， 使用对称性来给不同物相进行分类 。
一般的物质有固、液、气三态 ， 这是初中物理告诉我们的知识 。 后来 ， 现代物理的研究结果 ， 将“物质三态”的概念扩大——有了等离子态、波色-爱因斯坦凝聚态、液晶态等等 ， 见图3 。 再后来 ， 又扩展细分到物质的许多种不同的“相” 。 物质相之间的互相转换被称之为“相变” 。
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图3：相变图（包括液晶和等离子体）
固、液、气三相的变化 ， 相应地伴随着体积的变化和热量的释放（或吸收） 。 这一类转换叫做“一级相变” ， 它们的数学意义是说：在相变发生点 ， 热力学中的参量（比如化学势）不变化 ， 而它的一阶导数（体积等）有变化 。 后来 ， 实验中不断观察到的物质相及相变的数目多了 ， 一级相变的概念便被扩展到“二级”、“三级”……N级相变 ， 分别用热力学量的N阶导数来区分 。
这些N级相变 ， 被统称为“连续相变” 。 朗道对连续相变建立数学模型 ， 提供了一个统一的描述[2] 。 他认为连续相变的特征是物质的有序程度的改变 ， 可以用序参数的变化来描述 。 或者更进一步 ， 可以看成是物质结构对称性的改变 。
根据物质的对称性及其破缺的方式来研究相和相变的方法被称为“朗道范式” 。 也可以说由此方式才催生了凝聚态物理[3] 。 物理学家们越来越认识到 ， 分别单独地研究固体或液体 ， 都远远满足不了实际情况的需要 。 特别是掺和了低温物理之后 ， 固体物理的研究转向了对大量粒子构成的各种体系的研究 。 这些系统中的粒子具有很强的相互作用 ， 在各种物理条件下 ， 不仅仅表现为固态、液态、液晶态、等离子态 ， 还有超流态、超导态、波色子凝聚态、费米子凝聚态……对这些千姿百态以及它们互相转换的研究 ， 便构成了凝聚态物理 。
【凝聚态|对称破缺——凝聚态中的物理美】安德森挑战还原论
研究凝聚态物理并做出开创性奠基的另一位大师 ， 是美国物理学家菲利普·安德森（Philip Anderson ， 1923-2020） 。
今年春天 ， 安德森以97岁高龄不幸辞世 ， 他在对称性破缺、高温超导等诸多领域都做出了重大贡献 。 当他在新泽西的贝尔实验室工作时 ， 首先提出凝聚态中的局域态、扩展态的概念和理论 ， 为此他和另一位美国物理学家约翰·范扶累克（John Hasbrouck van Vleck ， 1899-1980）及英国物理学家内维尔·莫特（Sir Nevill Francis Mott ， 1905-1996） ， 分享了1977年的诺贝尔物理学奖 。
除了对物理本身的杰出贡献之外 ， 1972年 ， 安德森在《科学》杂志上发表的著名的“More is different”（《多则异》）的论文[4] ， 针对一切归于最简单粒子的还原论（Reductionism） ， 提出各种不同物质层次形成不同分支的层展论（Emergence） ， 被认为是凝聚态物理的独立宣言 ， 带给了整个科学界另一个认识这个世界的视角 ， 表达了安德森对人类传统科学方法的挑战和超越 。


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