凝聚态的快乐

我于2021年2月24日在Nautilus发表了略微不同的本文版本。

每个人似乎都在谈论物理问题：徒劳的书籍甚至不对，斯文林的物理和Hossenfelder在数学飞跃中迷失了，他们开始了更广泛的谈话。但是所有物理都真的陷入困境，还是只是其中一些？

如果您实际上阅读这些书籍，您会看到他们是关于所谓的“基本物理学”。物理学的其他一些部分正好罚款，我想告诉你一个。它被称为“凝聚态物理学”，这是对固体和液体的研究。我们生活在凝聚物物理学的黄金时代。

但首先，什么是“基本”物理？这是一个棘手的术语。您可能认为物理学中的任何真正革命性的发展都是基本的。但实际上物理学家以更精确的，狭隘的方式使用这个术语。物理目标之一是弄清楚一些法律，至少原则上，我们可以用来预测可以预测物理宇宙可以预测的一切。搜索这些法律是基本物理学。

细印度至关重要。首先：“至少原则上”。原则上我们可以使用我们知道的基本物理来计算水的沸点，以巨大的准确性 - 但没有人已经完成了，因为计算很难。第二：“可以预测的一切”。我们可以告诉我们，Quantum Mechanics说，事情中存在固有的随机性，这使得一些预测不仅是不切实际的，不仅仅是不切实际的。这种固有量子随机性有时会随着时间的推移而被放大，这是一个称为混乱的现象。出于这个原因，即使我们现在知道关于宇宙的一切，我们也无法从现在开始预测天气。

因此，即使基本物理学完全成功，它也远未给予对物质世界的所有问题的答案。但重要的是，因为它为我们提供了我们可以尝试回答这些问题的基本框架。

截至目前，基本物理学的研究给了我们标准模型（寻求描述物质和除重力之外的所有力）和一般相对性（描述重力）。这些理论非常成功，但我们知道他们不是最后一句话。大问题仍然是暗物质的性质，或者无论愚弄我们思考暗物质的东西。不幸的是，自20世纪90年代以来，这些问题的进展情况非常缓慢。

幸运的是，基本物理不是物理学，今天它不再是物理学最令人兴奋的部分。还有很多令人兴奋的新物理学。很多它 - 虽然绝不是全部凝聚的物理物理学。

传统上，凝聚物物理学的工作是预测本质上发现的固体和液体的性质。有时这可能非常努力：例如，计算水的沸点。但现在我们知道足够的基本物理来设计奇怪的新材料 - 然后实际上制作这些材料，并通过实验探测他们的性质，测试他们应该如何工作的理论。甚至更好，这些实验通常可以在桌面上完成。这里无需巨大的粒子加速器。

让我们来看看一个例子。我们将从卑微的“洞”开始。晶体是常规的原子阵列，每个原子都有一些电子轨道。当其中一个电子以某种方式撞击时，我们得到一个“孔”：带有缺失电子的原子。这个洞实际上可以像粒子一样移动！当来自一些相邻原子的电子移动以填充孔时，孔移动到相邻原子。想象一下，一系列戴着帽子，除了一个头部裸露的帽子：如果他们的邻居借给他们帽子，裸头就会向邻居移动。如果这保持发生，裸露的头部将沿着人的行进。没有东西可以像一件事一样行事！

着名的物理学家保罗迪拉克于1930年提出了洞的想法。他正确预测，由于电子具有负电荷，孔应具有正电荷。 DIRAC正在研究基础物理学：他希望质子可以解释为一个洞。结果不是真的。后来的物理学家发现了另一个可能：“正电子”的颗粒。它就像一个电荷相反的电子。因此，如普通物质颗粒等抗体颗粒，具有相同的质量，但具有相反的电荷 - 诞生。但那是另一个故事。

1931年，海森伯格将洞的想法应用于凝聚物物理学。他意识到，只要电子在沿着电子产生电流，所以漏洞 - 而是因为它们被带正电，它们的电流沿另一个方向进入！很明显，孔在一些称为“半导体”的材料中携带电流：例如，硅，其中有一点铝。经过许多进一步的发展，1948年，物理学家威廉斯利专利的晶体管，使用孔和电子形成一种开关。他后来赢得了诺贝尔奖，现在他们广泛用于电脑芯片。

半导体中的孔不是真正的颗粒在基本物理学意义上。它们真的只是一种思考电子运动的方便方式。但任何足够方便的抽象都会带来自己的生活。描述孔行为的等式就像描述粒子行为的等式一样。所以，我们可以将孔视为颗粒。我们已经看到一个洞被带正收费。但是因为它需要能量来腾出洞，所以一个洞也像它的质量一样。等等：我们通常属于粒子的属性也有意义孔。

物理学家的名字是表现出类似于颗粒的东西，即使他们真的不是：“Quasiply”。有很多种类：孔只是最简单之一。 Quasiparticles的美是我们几乎可以使他们订购，具有各种各样的性质。正如迈克尔·尼尔森所说，我们现在生活在“设计师物质”时代。

例如，考虑“激子”。由于电子被充电并且孔正充电，因此它们彼此吸引。如果孔比电子记载重小，则孔具有质量 - 电子可以将其轨道轨道轨道，作为氢原子中的质子。因此，它们形成了一种称为激子的人造原子。这是一个幽灵般的存在和缺席！

激子琴的想法一直回到1931年。现在，我们可以在某些半导体中大量的大量制作激子。他们不会持续长期：电子快速倒回孔中。这可能需要在1和10个Trillths的一秒钟内发生。但这是有足够的时间做一些有趣的事情。

例如：如果你可以制作人工原子，你能做一个人造分子吗？当然！正如两个氢原子可以粘在一起并形成分子，两个激子可以粘在一起并形成“Biexciton”。激子可以坚持另一个洞并形成“trion”。激子甚至可以坚持光子 - 光子 - 一种典型的东西，并形成一个称为“polariton”的东西。这是物质和光明的混合！

你能做出人工原子的气体吗？是的！在低密度和高温下，激子围绕着气体中的原子非常多。你能做出液体吗？同样，是：在更高的密度和更冷的温度下，激子彼此碰到足以表现出液体。在较冷的温度下，激子甚至可以形成一个“超流”，几乎沉降粘度：如果你可以以某种方式让它旋转，它将永远是永远的。

这只是浓缩物理学的研究人员在这些日子里做的事情。除了激子，他们还在研究一系列其他Quasiply。 “声子”是由振动穿过晶体的振动形成的Quasiply。 “Magnon”是磁化的Quasiplice：旋转翻转的晶体中的电子脉冲。列表进行了，并变得更疏远了。

但场面也比Quasiply更多。物理学家现在可以创造一种材料，其中光速比平常慢得多，这比一个小时40英里。它们可以创造光线移动的材料，就像有两个空间尺寸和两个时间尺寸一样，而不是通常的三维空间和一段时间！通常，我们认为时间可以在一个方向上前进，但在这些物质中，光线充当了作为“在时间上向前的方向的整个方向圈。这些可能性仅受我们的想象力和物理基本规律的限制。

在这一点上，通常一些怀疑论者出现了这些事情是有用的问题。实际上，这些新材料中的一些可能是有用的。事实上，很多凝聚态物理，而刚刚描述的迷人较少，则精确地开发新的改进的计算机芯片 - 以及使用光而不是电子的“光子学”等技术。光子学的果实是普遍存在的 - 它饱和现代技术，如平面电视 - 但物理学家现在瞄准更多的自由基应用，如使用光处理信息的计算机。

然后通常一些其他人的怀疑论者出现并询问凝聚态物理学是“只是工程”。当然，这个问题的前提是侮辱：工程没有任何问题！试图构建有用的东西不仅本身很重要，这是提出关于物理学的深刻新问题的好方法。例如，热力学的整个领域以及熵的想法，部分是从尝试构建更好的蒸汽发动机。但是凝聚态物理不仅仅是工程。它的大部分是蓝天的研究，就像我在这里谈论的那样。

这些天，凝聚物物理学领域与基本粒子或黑洞的研究一样充满了奖励新的见解。与基本物理不同，凝聚态物理学的进展是迅速的，因为实验相对便宜，容易，部分是因为有更多的新领域探索。

所以，当你看到有人讨厌基本物理学的困境时，请认真对待他们 - 但不要让它让你失望。只需在凝聚物物理学中找到一篇好文章并读到这一点。你会立即振作起来。