凝聚态物理的内容和风格
物理学也被称为“自然哲学”。简而言之,它研究的是时空和物质的基本结构及其深层的组织原理。当代物理学大体上可以分为四个主要分支:高能物理学、天文(宇宙)物理学、原子分子和光学物理学,以及凝聚态物理学。
对于前三个方向,可以分别用一句话来概括其中最闪亮的特征。高能物理是在最微小的尺度上研究时空的结构。天文宇宙学则是与此相对的一个极端,是在最广大的尺度上研究宇宙的诞生、演化,和最终的命运,比如大爆炸、黑洞、暗物质、暗能量等等。原子分子和光学物理的主题包括激光、原子钟、量子信息、冷原子等,其目标之一是实现最精准的调控。
至于凝聚态物理学,也许大家都听说过这个名词。媒体上时常可以看到的超导研究,就是凝聚态物理的一个重要方向。但总体来说,凝聚态物理学听起来不是那么的尖端,说的直白一点,就是不够酷。
凝聚态物理的范围过于广泛,给人以琳琅满目乃至于繁杂的感觉。正因为如此,公众反而觉得陌生。与此形成对照的是,对于基本粒子、超弦、大爆炸、宇宙学,公众耳闻目染,常常津津乐道。因此,对于凝聚态物理的研究风格和方法论,是有必要向公众和年轻的学生们做一些介绍的。
凝聚态物理的源头非常古老,其实大家并不陌生。铁磁体早在公元前4—5世纪,就被古代中国人和古希腊人分别独立地发现。在19世纪后半期,大量新发现的矿物急需系统的分类,这催生了对晶体结构的空间对称性的研究。这些可以算是“前电子时代”的凝聚态物理。
现代凝聚态物理以研究电子性质为核心,所以电子的发现是凝聚态物理学史的一个重要事件。
1897年,汤姆孙(J. J. Thomson)在研究阴极射线的时候发现了电子(阴极射线就是电子束)。在紧接着的1900年,德鲁德(Drude)模型被提出。Drude把经典的麦克斯韦气体运动论应用于电子,得到了电导的Drude公式,其中σ0是直流电导,e、m分别是电子电量、质量,n是电子密度,τ是电子碰撞的平均自由时间。此公式至今还被广泛应用于电子输运的研究中。
从某种意义上说,Drude可以算成第一个现代意义上的凝聚态物理学家。
凝聚态物理的中心课题是由大量的电子表现出来的层展现象(emergent phenomena),电子的数目可以多到阿伏伽德罗常数(6×1023)的量级。形象地说,量子体系中有亿万个电子,像极了一个社会中的公民。它们既彼此竞争又相互合作,具有强烈的社会属性,从而表现出各种各样的物态。
比如同样是水分子,在不同的情况下,可以形成冰、水、汽三种物态,这对应于水分子三种不同的组织结构。类似的,在一个社会里,同样的一群人,当他们处于平民的身份还是军人的身份时,他们的组合形式不同,当然其行为也是迥然不同的。
有了这些准备之后,建立超导微观理论的时机变得成熟了。这项工作最终由巴丁(Bardeen),库珀(Cooper)和施里弗(Schrieffer)完成。超导的微观理论不只是对凝聚态物理学家,对于整个物理学界而言都是一个挑战,包括费曼(Feynman)都在超导问题上倾注了大量的心血。
凝聚态物理处在当代量子理论研究的前沿,洋溢着对美与真的向往和追求,充满着发现新规律的机会。