“声子”的诞生

作者: 谢梦祥、任捷

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2023-01-30 09:16:15

本文追溯了“声子”(phonon)这一现代物理学重要概念的诞生及其在20世纪30—40年代的引用和传播情况,以及其传入中国物理学界的历程和早期发展。文章详细描述了声子概念的历史背景、理论基础及其在物理学中的意义,并强调了中国物理学会和归国学者在声子物理学发展中的贡献。

“声子”是现代物理学中的重要概念,其英文名称“phonon”于1932年被正式提出,而这一年也是中国物理学会成立的时间。值此“phonon”诞生和中国物理学会成立90周年之际,文章简要追溯了phonon这一概念诞生的历史背景、20世纪30—40年代phonon的引用和传播情况、phonon传入中国物理学界的历程和早期发展情况等。

1. 引言

声子 (phonon),固体振动的量子化表征,是第一个被引入物理学中的“元激发”(或称“准粒子”)。其概念的出现引领了在凝聚态物理中引入各种集体激发的热潮。近年来,声子带隙晶体、拓扑能带、压缩相干态、声子自旋等概念在声子物理学领域中广泛应用,提供了新的声子调制手段,在热调控、声振动调控、量子物态调控和量子传感等方面展现出诱人的前景。

2. Phonon诞生的历史背景

对物理学而言,20世纪初是一个群星璀璨、天才辈出的时代。phonon的提出很难归功于某个天才富有洞见的灵光一闪,而是建立在众多物理学家为其搭建的基础之上的。这一切要从经典能量均分定理在固体热容问题中的失效讲起。

2.1 固体中的波:从经典到量子

作为量子论的提出者,普朗克在很长时间内其实并不看好这一理论,他回忆当年引入能量量子化,称其为“一次绝望的举动”。真正拿起量子化这柄利剑刺向“乌云”的是爱因斯坦。1907年,爱因斯坦发表了关于固体热容问题的研究结果。他基于简谐振子模型,采用了普朗克处理辐射的量子形式来描述谐振子能量。

2.2 从波到phonon:量子场论的革命

在20世纪初量子力学和晶格动力学发展的过程中,玻恩充当着十分重要的角色。他凭借深厚的数学功底和富有远见的物理思维一次次地开拓着物理学的边界,晶格动力学如是,量子力学亦如是。

3. Phonon早期传播的历史

在人类科技与文明的历史长河中,许多伟大变革总是悄然发生,而人们往往在很久后才能意识到它真正的意义。Phonon在被提出后并没有立刻得到国际科学界的广泛关注,而是在漫长的时间中逐渐深入人心,取得共识。

4. Phonon在国内的引入和发展

1932年,在phonon诞生的同一年,中国物理学会正式成立。这一年中国物理学工作者团结一致,勤奋工作,在极为恶劣的环境中,努力探索发展中国物理学的道路。在这样的大背景下,很多资料都难以得到有效的保存,想要具体考证phonon一词何时、以何种方式翻译成中文“声子”有很大难度。

4.1 中国物理学会在物理学名词中的贡献

自1932年成立之始,中国物理学会就十分重视中文物理学名词规范化的工作。phonon的引入和对应中文译名“声子”与中国物理学会的此项工作密切相关。

4.2 归国学者对我国声子物理学发展的贡献

在中国物理学会的物理学名词编纂工作如火如荼进行的同时,一大批海外求学的留学生受振兴中华,报效祖国的精神感召毅然踏上了归国的旅程,其中包括了对我国声子物理学科研建设及教育事业做出重要贡献的程开甲先生、彭桓武先生和黄昆先生。

5. Phonon在物理学中的意义

声子,作为表征固体振动模的能量量子,其诞生与统计物理的发展,量子力学以及量子场论的诞生紧密相连,更与“光子”概念的诞生和发展密不可分。

6. 总结

“夫夷以近,则游者众;险以远,则至者少。而世之奇伟、瑰怪、非常之观,常在于险远,而人之所罕至焉,故非有志者不能至也。”对物质运行规律和真理的不懈追求驱使着物理学家们在知识的边界不断探索。经历热力学统计物理到量子力学再到量子场论这一险远历程,声子这一“奇伟非常之观”终于展现在世人眼中。

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