凝聚态以量子理论为基础,在量子场论建立之后,理论物理朝两个不同的方向发展:粒子物理和凝聚态物理。公众的眼光大多数投向传统的、以还原论思想为指导的高能粒子物理,以为那才是物理的正统方向。然而实际上,当今的物理学家中,很大一部分是在做凝聚态物理的相关研究,包括理论和实验两个方面。凝聚态物理的理论部分,与粒子物理理论有许多相通之处。
近百年来从固体到凝聚态的研究,在实用上促进了信息技术蓬勃发展,带给人们一次又一次的惊喜,典型范例是晶体管和超导。
前苏联知名物理学家列夫·朗道是物理界的一位大师级人物,在理论物理多个领域中都有重大贡献。朗道的费米液体及相变等理论,奠定了整个凝聚态物理的基础。费米液体理论,让我们可以在处理多粒子的凝聚态物理中继续使用单粒子图像。此外,朗道提出的相变理论与对称性破缺理论相关,让我们能够用序参量来描述凝聚态系统的宏观态,使用对称性来给不同物相进行分类。
研究凝聚态物理并做出开创性奠基的另一位大师,是美国物理学家菲利普·安德森。今年春天,安德森以97岁高龄不幸辞世,他在对称性破缺、高温超导等诸多领域都做出了重大贡献。当他在新泽西的贝尔实验室工作时,首先提出凝聚态中的局域态、扩展态的概念和理论,为此他和另一位美国物理学家约翰·范扶累克及英国物理学家内维尔·莫特,分享了1977年的诺贝尔物理学奖。
物理学中有一个诺特定理,由德国女数学家埃米·诺特发现,它将物理中的守恒定律与对称性联系在一起。例如,能量守恒定律对应时间对称性;动量守恒对应空间平移对称;角动量守恒对应旋转对称性等等。
对称破缺分为两大类:明显对称性破缺和自发对称性破缺。第一类对称破缺的原因是自然规律决定的,是因为某些物理系统本身就不具有某些物理规律对应的对称性,这类对称破缺的著名例子是李政道与杨振宁发现的弱相互作用中宇称不守恒。
第二类自发对称破缺是物理学家更感兴趣的。这种情况下,物理系统仍然遵循某种对称性,但物理系统更低的能量态却不具有此种对称性。这种对称破缺的著名例子包括超导物理中的BCS理论,以及基本粒子标准模型中的希格斯机制。