介绍凝聚态物理，纪念张首晟 (original) (raw)
2024-10-04 19:27:35 已编辑 新疆
本书首版于2024年。
主要作者：严伯钧，科普作家。
本书是极少见的介绍凝聚态物理的科普书。创作初衷是为了纪念已故的凝聚态物理学家张首晟。
阅读难度高于作者的前几本科普书（例如《六极物理》），适合掌握一定物理学科普知识的读者。
亮点
循序渐进的解释了凝聚态。
知识点大多数是物理学的前沿研究内容。
语言流畅，观点清晰（反还原论）、新颖（寻找基本粒子的新思路）。
阅读笔记
第1章
Everything is made of atoms.
复杂的系统也能产生简单的秩序。
还原论认为，可以从构成整体的个体的自身性质、个体之间相互作用的规律，完全得出整体的性质。反还原论（anti-reductionism）却认为未必。
第2章
质子与Δ+都是由2个上夸克（u）+1个下夸克（d）组成的重子，但它们的自旋不同，物理性质也差异很大。
标准模型中存在较多附加的任意性。虽然它能精确预言基本粒子的性质，但是有26-37个参数（例如：粒子的种类、电荷、质量等，具体数量取决于如何分类与计数）需要输入模型，然后模型才能作出预言——这些参数是统一的理论应该预言的。
对于某些版本的标准模型，最常提到的是19个基本参数，加上中微子的质量与混合参数等，最终数目接近 37个。这些参数的数值必须通过实验来精确测定，而不是由理论直接推导出来的。
要解释基本粒子，就必须解释基本作用力。存在与相互作用不可分割，没有相互作用，就无法感知存在——存在必然是经过测量才能验证的，而测量的本质就是发生相互作用。
第3章
还原论是解释非生命体最为简单的认知方式，但涉及生命体、有主观意识的观察者（尤其是人类）时，还原论似乎否认了自由意志的存在。
数学的基本逻辑与推理秉持贯彻还原论，例如：欧几里得几何的出发点是5条公设；数论建立在四则运算的基础上；微积分可以粗略的理解为求曲线下方的图形面积。歌德尔不完全定理宣布了将所有数学形式化的希望破灭——无法被证明的但验证起来总是为真的命题有无穷多个，说明了数学本身至少包含非还原论的部分。即：数学不能完全通过从最基本的公理与规则出发，逐步推导出所有结论的、纯粹还原论的方式来构建。数学的结构比单纯的还原论设想的更复杂与丰富，不能仅归结为一组有限的、确定的、公理的逻辑演绎。当然，数学的研究并未完全放弃还原论的思维方式。数学领域广泛与多样，不同的分支与问题均表现出不同程度的与还原论的关系。有些领域可能更接近还原论的模式，而有些则更复杂，难以用纯粹的还原论来解释。
气象系统涉及众多的物理、化学、生物过程，这些过程的复杂性使得对系统的建模与分析变得极为困难。即使有强大的计算能力，也难以完全捕捉到所有的细节与相互作用。在实际中我们对系统的认识也存在一定的局限性，无法准确的确定所有的初始条件与参数。
即使用具有“拉普拉斯妖”计算能力的计算机追寻每一个微观粒子，也算不出确定的答案。我们对微观粒子的了解并不完整，无法完全掌握所有的相互作用与影响因素，例如：暗物质与暗能量等未知的物理现象可能会对微观粒子的行为产生影响，微观粒子之间的量子纠缠等现象也增加了系统的复杂性，导致不可能得出准确的计算结果。
凝聚态物理研究的是，微观粒子以极大的数量聚合之后形成的宏观系统（例如：晶体）有怎样的性质， 凝聚态物理的研究对象是多对象的、复杂的，凝聚态物理从认识论上给出了有别于还原论的思想路径：多即不同，但也并非完全与还原论对立，而是两者相互结合、相互补充，共同推动对物质世界的认识。
第4章
碳原子与氧原子相互独立时，电子的波函数围绕各自的原子核分布。当氧化反应发生，碳原子与氧原子结合，它们的外层电子同时围绕碳原子核与氧原子核，形成了新的波函数分布。化学中用共价键来描述这种原子间的结合，而从量子力学角度，这种化学键可以理解为对波函数形态的描述——量子力学为化学键的形成提供了微观层面的解释，把化学键看作是电子波函数的特定形态变化。
凝聚态物理研究的是由量子力学主导的物理现象与物理过程，其尺度大约在原子核之外，化学反应之内（不包括化学反应）。
原子的最外层电子未必总是能量最高的电子，对于质量大的原子，其最外层电子往往并非处在能量最高的状态，这是由于电子与原子核以及电子之间的相互作用导致的。
多电子原子中存在“电子屏蔽效应”，即：内层电子会对外层电子产生屏蔽作用，减弱原子核对外层电子的吸引力。
宏观机械波的能量由振幅与频率共同决定，满足薛定谔方程的晶格振动的能量由频率唯一确定。在量子力学中，通过量子化条件解出的晶格振动表现出类似粒子的行为。晶格振动可以将特定的振动模式在晶格之间传递，这种行为更类似于粒子的传播，而非传统意义上的连续波行为。这种量子化的晶格振动称为声子。声子具有粒子的特性（例如：能量、动量等），同时也保留了一定的波动性。
根据BCS理论，两个电子通过交换声子产生等效的吸引作用。在声子的作用下，两个电子以自旋相反的方式束缚在一起形成库珀对。
超导完全抗磁性的原因：当超导体处于外磁场中时，根据麦克斯韦方程，变化的磁通量产生感应电场，感应电场会产生电压，而电压会在导体中建立起电流。由于电阻为零，感应电场会建立起持续的电流。如果感应电流产生的磁场与入射磁场方向相同，会导致磁场不断增强，进而激发更强的电流，形成正反馈（磁场增强无上限），这违背能量守恒定律。所以感应电流产生的磁场必然与入射磁场方向相反，削弱并抵消入射磁场，使超导体内部磁场为零。
第5章
凝聚态物理的任务，是去寻找由大量个体在相互作用或外部环境作用下构成的整体中存在的秩序。
相（Phase）是物质的宏观状态，反映了其均匀的物理性质。态（State）描述的是物质的微观结构与量子特性。相与态密切相关：物质的宏观相往往是其微观态的表现，而同一相中可以存在不同的微观态（例如：在固态中物质可以表现出晶态或无定形态；在金属中可以表现出超导态或正常导电态）。
拓扑材料的出现证明了：相变的发生，不一定伴随对称性的变化。
第6章
拓扑性质对连续变化不敏感。拓扑序（topological order）基于系统的拓扑性质。拓扑序表现出很强的稳定性与不变性，当系统的各项参数（例如：温度、压力、外部磁场等）发生变化时，拓扑序对应的某些关键属性不会改变。
拓扑绝缘体内部绝缘，只在表面导电。拓扑材料有较强的、针对外部环境变化的鲁棒性——把拓扑绝缘体一分为二，这两块绝缘体仍然各自是拓扑绝缘体，每一块都有新的导电表面。
量子霍尔效应的实现极其困难，必须在温度极低的环境下进行，还需要外加强度极高的磁场（10T左右）。
利用拓扑绝缘体的物理原理，有可能制造出与现代主流的硅芯片截然不同，但性能却大大提升的芯片——能耗低，信号传输精度高。
凝聚态物理系统中的鲁棒性在一定程度上验证了反还原论的猜想。许多宏观现象（例如：拓扑效应、超导性、涌现现象等）不能简单的还原为系统中每个粒子的性质与行为，而是由系统整体的组织、相互作用以及集体行为决定。
作者以反还原论为思路，提出了寻找基本粒子的新方法：①研究怎样的复杂系统可以涌现出已知的基本粒子。②构筑这个复杂系统，调节它的参数使所有已知的基本粒子都能通过这个系统涌现出来；③继续追问这个系统还能预言什么未被发现的粒子；④进行有针对性的实验，寻找新粒子。
第7章
用单个原子系统的性质去解释压强——它表现为原子撞击作用力的平均值。
即使是微观粒子之间没有相互作用的系统，也不能将其简单的理解为单个粒子系统的叠加。
第8章
热力学第二定律无法通过个体性质直接得出，它的成立依赖于对大量个体的统计描述，而不仅是这些个体的微观性质或相互作用。它的适用不需要假设粒子之间存在强相互作用，即使是自由运动的粒子群（例如：理想气体），在没有相互作用的情况下熵也会增加。即：热力学第二定律是宏观的统计规律，但微观动力学理论（例如：分子动力学）依然能够解释其统计基础。
混沌系统从微观机制上是确定性的，但系统的相互作用非常复杂，系统整体的变化规律无法预测，从人类预测能力的角度说，体现为随机性，即：它的机制不是随机的，但效果是随机的。
第9章
生命的诞生，是涌现现象的极致。
第10章
卡西米尔效应证实了真空零点能的存在——虽然真空零点能的量不可知，但其变化是真实可测的。
量子计算机对误差、微扰非常敏感。由于量子力学的不确定性，因微扰、误差导致的错误是完全随机的，无法人为修正。
第11章
分数量子霍尔效应是从具备强烈相互作用的凝聚态系统中涌现出的秩序，这种秩序是整个系统在特定条件下的集体行为产生的，而不是单个微观组分本身具有的性质（例如：具有分数电荷的准粒子与特定的量子态）。
任意子是准粒子，是由大量粒子集体激发而表现出的、具有类似粒子行为的现象。任意子既非玻色子，也非费米子，既不满足费米子的统计规律，也不满足玻色子的统计规律。
第12章
测量电子的位置时，它的空间属性是个小球；但测量其速度时，无法确定在以一定速度运动的过程中，电子是否还是小球的形态。
在量子力学中，不能说某个物体“是”什么，只能说这个物体在某种测量下呈现出某个结果。测量与测量之间，很有可能是不兼容的，也就是目标对象很有可能在同一状态下无法给出两个性质的确定结果，例如：位置与速度是不兼容的测量，所以不存在确定的电子轨迹——只要认为电子运动有轨迹，就如同在经典力学中把电子看作小球，从根本上违背了描述量子系统的原则。
能消除观察者不确定性的内容才是信息。量子纠缠传递的内容无法消除不确定性，没有传递信息，不违反相对论。
人类对于科学的研究，一部分来自人类天然的好奇心与求知欲，还有一部分来自对抗世界不确定性的本能。
数学是脱胎于人类自身的思维方式，是人类思维的产物。数学中抽象的概念在自然界天然存在，例如：只有位置没有大小的点、只有长短没有粗细的线、没有厚度的面并不存于现实中。所以数学的证明并非实验的验证。
简洁和优美，未必来自更简洁和更优美，它也可以从复杂的系统当中涌现出来。
遗憾
部分观点有些“绝对化”，需要读者自行把握。
介绍量子霍尔效应、拓扑绝缘体的内容已经极力的科普（讲人话），但不是非常成功。
部分内容是当今物理学的疑难问题（例如：天使粒子），并未有被广泛接受的答案，有的甚至只是猜想。
质疑
正文025：将弦类比为交响乐团。实际：虽然交响乐团在不演奏时没有特定的音乐，但乐团本身是实体，可以被观察、触摸等多种方式感知，而基本弦的本质是抽象且难以直接感知的概念，与乐团的可感知性在程度上差异较大。
正文036：无法被证明、但验证起来总是为真的公理有无穷多个。实际：的确存在无数个无法在特定形式系统中证明的命题，但这些命题并非都是公理，公理通是经过选择与约定的基础性命题。
正文036：白矮星的密度几乎就是原子的密度。实际：这种描述只是简化的理解。白矮星物质的密度极高，其状态和性质与普通状态下的原子大不相同，需要考虑量子力学与相对论效应等因素。
正文061：图示中费米-狄拉克统计的曲线。实际：费米-狄拉克统计中，由于泡利不相容原理，每个量子态最多只能被一个粒子占据。在低能量区域，平均粒子数随着能量的增加而逐渐增加，达到一定能量后，平均粒子数趋于饱和，不会继续增加。曲线应该呈现出在低能量处上升，然后在较高能量处达到一个平台的特征。
正文089：根据朗道的对称性破缺理论，水与水蒸气之间的转换并不存在相变。实际：根据朗道的对称性破缺理论，水与水蒸气之间的转换存在相变。从对称性的角度来看，在高温下，水蒸气具有较高的对称性，而当温度降低到一定程度，水发生相变成为液态水，对称性降低。水与水蒸气在不同的状态下物理性质与对称性不同，它们之间的转变是典型的一级相变。
正文119：这些不同的物质形态，本质上都是在对抗无序状态的各种秩序。实际：这种观点并非绝对。物质的各种性质由其微观结构与相互作用决定，本身复杂多样，不能简单的归结为对抗无序状态的秩序。
正文124：对于反还原论者来说，承认热力学第二定律的第一性，则代表承认时间的第一性。时间的存在，恰恰是反还原论支持者的直接立论。实际：热力学第二定律为时间的方向性提供了描述，但并不意味着时间必然是第一性的。时间并不是绝对的、独立的概念，它与空间、物质、能量等其他物理量密切相关，其本质需要从多个角度进行综合研究。例如：在相对论中，时间与空间相互联系，时间的流逝速度受到物体的运动状态与引力场的影响。
正文157：分数量子霍尔效应意味着，我们可以通过凝聚态的量子系统去人为创造出一些自然界本不存在的物理学规律。实际：分数量子霍尔效应是在特定的凝聚态量子系统中展现出的特有物理现象，为研究量子物理提供了新的视角（除了用对撞机不断撞出更小的粒子外，还可以尝试用人为构造的凝聚态系统模拟基本的物理原理）与实验基础，但并未创造出自然界不存在的物理学规律。
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