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30页手算解决物理学争论——相变、对称性破缺与时间晶体

北极蚊子 2017-6-1 12:00

自发对称性破缺能够神奇地导致许多新材料出现。所谓“对称性”,就是在如空间、时间、能量等相应的方向上,物质的结构、性质以及物理定律不变。当对称性破缺时,物质就会产生一系列物态、导热性、导电性、应力特征等方面变化。

图丨问题是对称的,解决方案不对称;自然法则是对称的,物质受法则支配的状态不对称,这就是自发对称性破缺

如果把这个话题应用在我们在日常生活中,其最直接的表现就是物态变化。如冰晶体中的水分子从左到右、从上到下的排列呈现一个高度有序的状态,也就是在空间上具有平移对称性。举例而言,冰融化成水的过程实为一个平移对称性破缺的过程,破缺后的液态水高度无序,并达成了所谓的相变。

毫无疑问,在数学上,高度有序的晶体浅显易懂的——它们在标准大气压下有着确定的熔点和沸点,且物理学家早已提出了一系列理论以概括其物理性质。但对于包括玻璃、冷冻食物、塑料等非晶体的相变过程,目前还没有得出普遍接受的理论。

图丨显微镜下的非晶体(左)和晶体(右)结构

不得不承认,在长达 30 年的时间里,物理学家们一直对于非晶体是否有相变过程的问题争论不休,该相变过程仅存在于理论模型中,还无法在现实非晶体物质中得到验证。

然而,在粒子物理学的帮助下,杜克大学研究员 Sho Yaida 不久前终于通过几十页的长篇手算解决了这个持续了 30 年的争论。

图丨通过三十页的手写计算,杜克大学的研究者Sho Yaida终于结束了关于玻璃等“无序”材料在低温下的相位问题。该相位可能是一个全新的理论物态

对此,Sho Yaida 的导师、杜克大学化学系教授 Patrick Charbonneau 表示,他们找到了这种相变存在的线索,但换做以前没人敢这么说,因为学术界认为这种相变是不可能存在的。无论如何,他们的研究结果已经证明了,这种相变完全有可能存在。

对于这位化学系教授而言,这项研究最奇异的地方在于:把玻璃和其他无序系统的数学模型放在假想的高维宇宙中其实更容易解。在维度无限的情况下,他们的性质能被展开得更加简单易懂,就像我们在三维图像上解决晶体的相位问题一样。

然而,这一相变也在三维中存在吗?在上世纪八十年代就有一个研究团队通过数学计算否定了这一可能。所以,在过去三十年中,学界的普遍观点仍然是,存在于高维的计算结果在三维世界中无效。

直到最近,Charbonneau的模拟实验才发现,三维玻璃上也存在相变的蛛丝马迹。

图丨早期的计算无法在相位图中找到一个交点(左图),也就不能确定相变的明确时机。而Yaida的研究确定了该点的位置,并找到了玻璃在低温条件下的相变条件

然而,在看了运算结果后,有着粒子物理背景的 Yaida 突然意识到,过去的研究并不能全盘否定这相变存的在可能,也许稍微进一步的计算就能找到这一物态变化的时机节点。于是,历时一个月,在30页纸手算的尝试后,Yaida终于做到了。

对此,他不禁感叹道:“这个努力的过程就是我投身于科学的原因,这个小小的定点对于这个领域的研究人员来说意义重大。它使七八十年代研究所探寻的奇异物态在真实的三维世界中有了意义。”

图丨杜克大学博士后研究员 Sho Yaida (左) 和其导师 Patrick Charbonneau (右)

实际上,新的研究动力在于,这一步骤很有可能存在于玻璃形成的过程中,而且一旦证明非晶体相变真实存在,将对材料领域带来不可估量的影响。对此,Charbonneau 表示,“我们必须认真对待该点在三维世界中存在的可能性,它影响了声音的传播,热的吸收,对信息内容的传导。该研究深刻地影响了我们对非晶体的认识,无论它们是一团塑料、一盘散沙、还是一块玻璃。”

在严格审查过后,这项手算获得的成果终于发表在 5 月 26 日的《物理评论快报》(Physical Review Letters) 上。

图丨玻璃在低温下的“无序”状态可能是一种新的理论相位

回到对称性破缺的话题上,除去在晶体物态变化上有着显著作用,该理论与物理学界的各大热门话题都密不可分。比如,规范对称性破缺就能将导体变成超导体,非阿贝尔规范场的破缺则能赋予基础粒子以质量。

实际上,最近大热的时间晶体也是物质在时间对称上的破缺。物质在各个时间的状态应该是连续的,也就是说如果没有外界的影响上一秒的结构和下一秒的结构应该是连续的、一样的。如果物质自发性地在随着时间的渐进而呈现出周期性的变化,“时间晶体”就诞生了。

2016 年 8 月,加州大学伯克利分校物理系助教授 Norman Yao 在《物理评论快报》上发表的论文表明,在他们制造的钙离子阱中,能引导钙离子环在磁场中开始永久地转下去,并每隔一段时间就会回到最初的位置上,从而形成一个个在时间上重复排列的“晶格”,时间对称性由此被打破。

  

图丨加州大学伯克利分校的时间晶体实验说明:通过电场将钙离子围绕在一个100微米宽的“陷阱”中,使它们形成晶体圆环。科学家们相信,静磁场会使圆环转动

尽管如同石墨烯最初一般,时间晶体到底有些什么应用现在还并不明确。但至少有一点是肯定的,时间晶体的超级稳定性可以作为对抗退相干效应的有力武器,来保证一个量子态的寿命。如果量子态可以被强化,它还可用作制造更稳定的量子计算机内存,和进行更精确的测量。

因此,今年 3 月出版的《自然》杂志,也将这一发现作为封面文章进行了详细解读。

图丨2017 年 3 月出版的《自然》杂志封面文章:《时间晶体》

-End-

参考资料:

https://m.phys.org/news/2017-05-pages-year-debate-mysterious-phase.html

Patrick Charbonneau et al, Nontrivial Critical Fixed Point for Replica-Symmetry-Breaking Transitions, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.215701

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