2021年度诺贝尔物理学奖授予三位科学家,真锅淑郎、克劳斯·哈塞尔曼和乔治·帕里西,以表彰他们“发现了气候和其他复杂现象中的隐藏模式”。其中帕里西获得二分之一的奖金,获奖理由是“发现从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落之间的相互影响”。帕里西的自旋玻璃理论深刻地揭示了无序体系中的隐藏对称性,为文章介绍的重点。
在自然界和日常生活中,我们随处可见相变——物质从一种相变为另一种相。一个最常见的例子就是水:液态水既可以通过降温结成冰,也可以通过加热蒸发为水蒸气。这两个相变过程(液相到固相、液相到气相)都伴随着某些宏观物理量的突变,被称为非连续相变或一级相变。
在相变发生的过程中,外界条件(例如温度)是连续变化的,然而物质的状态却可以发生突然的改变,以至于某些物理量发生不连续的变化或者发散。解释这种现象长期以来都是一个让物理学家着迷的问题。19世纪30年代,前苏联的天才物理学家列夫·朗道提出了“序参量”的概念,并且建立了朗道相变理论。
伟大的物理理论往往有令人惊叹的普适性,朗道理论也不例外。几乎所有已知的两相之间的转变过程都可以被纳入朗道相变理论的框架。然而,似乎存在一个例外——玻璃化。高温下熔融的二氧化硅液体经过淬火(快速降温)形成石英玻璃,这个过程称为玻璃化。
由于阻挫的存在,自旋玻璃模型在低温下的稳定构型看起来是无序的(自旋指向随机)。然而从动力学的角度来讲,几乎所有的自旋都是不动的,因而低温的自旋玻璃相(类比玻璃)与高温的顺磁相(类比液体)明显不同。
帕里西的理论对于无序复杂系统的研究产生了深远的影响,已被广泛地应用在各类问题中,包括玻璃化转变、阻塞相变、进化动力学、优化问题、神经网络、人工智能模型等。