大家好!这里是“天天听好书”。今天我们要讲的是接力出版社2020年5月出版的《六极物理》。这本书入选了百道好书榜2020年7月新知榜。
请扫二维码进入百道学习app收听音频
如果跑得和光一样快,时间会静止吗?如果有一天实现室温超导,石油产业会终结吗?如果压缩到鸡蛋大小,地球可以变成一个黑洞吗?
著名科普作家严伯钧的《六极物理》,用通俗的语言向你解释最核心的物理思想。从极快、极大、极重、极小、极热、极冷六个极限状态,揭开物理世界的神秘面纱,尽数展现前沿物理学的精髓,让你也能体会物理学思想的精妙。
全书共二十章。这里要讲的是第二十章“凝聚态物理”的内容。在接近绝对零度的极冷状态,物质会有哪些奇异的形态?在极冷状态,原子以及比原子小的电子等粒子之间的相互作用有哪些新特点?又需要哪些特殊的观测方法?本章就介绍这些内容。
在温度极低,接近开尔文绝对零度的状态,也就是摄氏零下273度时,固体和液体的分子和原子之间通过比较强的相互作用关联在一起,构成一种凝聚的状态,叫作凝聚态。在温度极低、粒子数量极大的情况下,凝聚态物理系统会出现非常多的神奇的物质形态。
当温度高的时候,原子和分子的无规则运动会占据主导地位,相比之下,比原子小的粒子,也就是量子的热运动没那么明显。但是,温度较低时,量子运动的效果占据主导地位。根据量子力学的不确定性原理,微观粒子的位置和速度无法同时确定,只能用概率波来描述。
在比原子小的粒子之中,最常见的是电子,除了电子之外,还有一种粒子叫玻色子。随着温度不断降低,这些玻色子会往能量低的状态跑。在这种情况下,会出现物质的第五形态也就是玻色-爱因斯坦凝聚的状态,这是爱因斯坦和印度物理学家玻色共同发现的。
在极冷状态下,大部分粒子无法因为热能被激发到能量较高的状态,因此大部分粒子会主动掉到能量最低的状态,这就形成了玻色-爱因斯坦凝聚状态,它是一个典型的量子化状态。
除了玻色-爱因斯坦凝聚态这种神奇的物质形态以外,还有一种特殊的物质形态,叫作超流体。超流体通常都处在玻色一爱因斯坦凝聚的状态。
超流体,可以简单理解为内部摩擦力为零的流体,在20世纪上半叶就已经被发现。当氦气被降温到摄氏零下269度时,形成的液氦流体就是一种超流体。与我们平常认知的普通流体完全不同,如果搅动一桶超流体,让它开始转动,它永远都不会停下。
普通液体的内部摩擦,本质上是流动的液体要把运动的动能,传给周围的其他动能没那么高的流体。超流体既然不会降低流速,换个角度看,就是超流体的动能“给”不出去。
流体如果已经处在玻色-爱因斯坦凝聚的状态,则大部分的粒子处在能量最低的基态,要把这些处在基态的粒子的能量升高到激发态,至少要给到多于基态和激发态之间能级差别那么多的能量。
但是,超流体的流速都不高,只能较为缓慢地流动。超流体中流动的粒子的动能也不是很高,因此就无法把这些能量给出去。这就好像你在某个停车场停了一晚上车,第二天准备出去的时候,停车费要100元,但是你身上只带了50元,不够付,显然你就出不去了,这里的道理是类似的。
在低温状态,还会出现超导体,也就是电阻为零的导体。超导这种现象在20世纪初就已经被发现了。当时有一位荷兰物理学家,把水银的温度降到接近绝对零度时,发现水银居然超导了。
超导的形成机制也多种多样,科学家通过让超流体带电,制成了超导体。超流体通常只能发生在玻色子身上,因此单纯给大量电子降温是无法达到超导的状态的。后来科学家发现,两个电子通过交换声子,也就是交换波长为纳米级的高频声波,就可以形成一个带电的玻色子,这样,超流体就变成了超导体。
超导体拥有完全抗磁性,也就是说,磁场无法进入超导体,它内部的磁场一定为零。
如何理解完全抗磁性?磁场进入超导体之后,会激发起超导体里的电流,由于超导体的电阻为零,电流一旦被激发起来,就不会消失,电流会产生新的磁场,它与入射磁场的方向相反,会完全抵消入射磁场的强度。
后来科学家们发现,可以通过改变物质的种类提高超导的临界温度,比如用结构十分复杂的化合物,能把这个温度提升到摄氏零下173度以上。
科学家们竞相提升超导的临界温度,这个研究领域变成了一个全新的领域,叫作高温超导。主流的高温超导原理有若干种,但是万变不离其宗,都需要形成玻色子。
超导的应用十分广泛,粒子物理实验用的对撞机,需要产生巨大的磁场来束缚粒子的运动,这就要靠巨大的电流,而超导在承受大电流方面就有天然优势。除此之外,在可控核聚变中,为了束缚住一亿摄氏度高温的反应物,也需要用强大的磁场,这种磁场也是依靠超导来承载的。
超流和超导是凝聚态中比较奇特的物质形态,但凝聚态系统中的神奇的物质形态远远不止这些。20世纪70年代发现的量子霍尔效应,翻开了凝聚态物理研究的新篇章。
什么是量子霍尔效应?
首先要了解一下普通的霍尔效应。霍尔效应在1879年由美国物理学家霍尔发现。最初的霍尔效应其实很简单,将一块方形金属板两端接上导线通上电,导线里会有电流通过,这个时候垂直于金属板加上一个磁场,稳定之后就会在金属板垂直于电流方向产生一个电压。外加磁场会产生垂直于电流方向的电压的效应,就是霍尔效应。
为什么会产生垂直于电流方向的电压呢?由于有垂直于电流方向的磁场,这样的磁场会把带电粒子打到金属板的侧面上,并堆积起来。
霍尔效应要解释起来其实比较容易,但是神奇的是,20世纪70年代,科学家们在极低的温度下,发现了一种奇特的霍尔效应。
在温度极低的环境下,把霍尔效应中的外磁场逐渐加强到一个极强的等级,就会出现量子霍尔效应,这时系统的霍尔电阻是一个量子化的数值。
这个实验的效果非常神奇,我们会发现,这个霍尔电阻随磁场大小而变化的图像,画出来居然是一个阶梯状。
明明外加磁场是连续变化的,为什么霍尔电阻却按整数规律、离散地变化呢?
如何用量子力学来分析量子霍尔效应呢?首先来想象一下,当磁场比较弱的时候电子的运动轨迹。
磁场比较弱的时候,电子做圆周运动的半径比较大,因为力很小,大部分电子起初都会被打到金属板的侧面。但如果磁场极强,这些电子会原地转圈,形成一个个圆圈状的运动轨迹。
在这种情况下,这个金属板要想导电就没那么容易了。在磁场极强的情况下,只有边缘的电子可以参与导电。
电阻的阶梯状又应该怎么解释呢?这里的关键是,正常情况下,导体金属板不可能没有任何杂质,这种杂质体现为系统中的无序效果,电子的运动状态是集中在紊乱地区附近的,它们都不参与导电,在外磁场强度变化比较小的过程中,这些局部的紊乱无法被破坏,因此在外磁场强度变化不大时,霍尔电阻呈现出稳定不变的特性。当系统极其纯净的时候,电阻的阶梯状是不存在的。
这就是为什么霍尔电阻在强磁场的情况下,不是连续变化,而是跳跃变化的。磁场的大小在一定范围内,霍尔电阻的变化呈阶梯状。
上述的量子霍尔效应是“整数量子霍尔效应”,整数量子霍尔效应当中电子之间的相互作用不计入在内,如果考虑电子之间的相互作用的话,就可以得到“分数量子霍尔效应”。
华人科学家崔琦,就是因为在实验中做出了分数量子霍尔效应,获得了1998年的诺贝尔物理学奖。
霍尔电阻不仅在强磁场下有整数变化的规律,还有分数变化的规律。
分数量子霍尔效应研究电子之间的相互作用,这种研究打开了一个全新的领域,甚至可以说是把凝聚态物理的地位提升到了一个新的高度。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。
这给我们的基础物理研究指出了一个新方向,就是除了用高能对撞机不断撞出更小的粒子以外,我们还可以尝试用人为构造的凝聚态系统,模拟一些最基本的物理原理,分数量子霍尔效应就是一个很好的例子。我们通过这个凝聚态系统甚至模拟出了自然界中本不存在的粒子物理规律。
分数量子霍尔效应的发现,还催生了一个全新的物理学领域,这就是研究量子之间的相互关联。过去的研究只考虑电子和原子核之间的相互作用。但是分数量子霍尔效应告诉我们,在温度极低的情况下,电子和电子之间的相互作用表现得很强,以至于不能被忽略了。这种研究叫强关联系统。这是一个非常值得研究的课题,是凝聚态物理中最前沿的研究领域。
量子纠缠就是量子之间的一种强关联方式。量子纠缠是指几个量子系统同时处在一定的叠加态,比如两个电子,它们同时处在同为自旋向上和同为自旋向下的状态。这个时候探测其中一个电子的状态,就能立刻知道另外一个电子的状态,不用进行额外的探测。
强关联系统里的电子,是可以处在量子纠缠态的。二维的电子自旋阵列可以形成大的涡旋阵列,这就是一种量子纠缠的状态。也就是说,这些材料里的电子之间虽然有相互作用,但其实是短程相互作用,每个电子主要还是受到离它近的电子的作用。
神奇的是,由于量子力学的效果,这些电子的形态有可能形成长程关联。这些长程关联的形态涉及到几何学中一个重要的分支,这就是拓扑学。
拓扑学简单来说,就是不关心几何图形的具体形状,只关心它们的连接方式。比如,一个有把手的咖啡杯,在拓扑学上跟一个甜甜圈是一样的,在拓扑学看来它们是同一个东西,因为它们都只有一个洞。
如果用橡皮泥捏出一个咖啡杯,我们可以在不补上洞的情况下,再把它捏成一个甜甜圈。但是一个球体就不行了,球体是没有洞的,你要把它捏成一个咖啡杯,就必须要在上面挖一个洞,或者要把它拉长,再把两端粘在一起。
也就是说,我们无法顺滑地把一个物体变化成一个拓扑结构跟它不一样的物体。拓扑结构意味着稳定性,一个拓扑结构一旦形成,连续顺滑的扰动和干扰都无法改变它的拓扑结构。
当这些量子粒子形成长程关联以后,这种长程关联也会构成一个拓扑结构。这个拓扑结构非常稳定,我们无法顺滑地把它变成其他的拓扑结构。
这就是为什么一旦磁场足够强,温度足够低,形成量子霍尔效应系统以后,霍尔电阻不会随着金属板形状、纯度的变化而变化,而只与外加磁场和电流大小有关系,这就是一种神奇的拓扑性质。这样的材料就构成了一种拓扑材料,它对于量子计算机的研发有很大的帮助。
量子计算机可以在几分钟内完成传统计算机要算一万多年的计算任务。但是量子计算机有一个实际操作上的巨大问题,它对于误差和微小的干扰太过敏感。
拓扑材料就有希望解决这个问题,拓扑材料是极其稳定的,如果只是有一些微小的干扰和误差,并不会影响拓扑材料的量子状态。因此可以想象,我们用拓扑材料做成的量子计算单元将对微小的干扰免疫,十分稳定。因此拓扑材料的研究对量子计算来说,有着非凡的意义。
这也是为什么在今天的物理学界,对于拓扑材料的研究是最前沿、最热门的领域。
总之,极冷状态下,物质内分子、原子热运动的剧烈程度急剧降低,比原子小的量子的运动会变得极其明显。在这种情况下,会呈现出许多神奇的物质形态,会出现摩擦为零的超流体和电阻为零的超导体。量子之间的相互关联,会形成量子纠缠,这种性质可用于研制性能强大的计算机。
好了!想了解更多内容,建议打开接力出版社出版的这本《六极物理》。我们明天见!
北京百道世纪网络信息技术有限公司及其平行公司北京百道世纪教育科技有限公司下属的网络媒体平台百道网、百道网微信、帮书店微信,以及百道学习APP和小程序等平台上发布的文章,版权属于北京百道世纪网络信息技术有限公司所有,或北京百道世纪网络信息技术有限公司与著作权人共同拥有,严禁转载。任何纸媒、网媒或社交媒体需要发布或转载,请与版权专员联系(service@bookdao.biz),获得授权后,方可转载。对于任何未经授权的转载,我们将依法追究其侵权责任。
扫描二维码 分享文章