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尋找自然美學(xué)中的真諦
[來源:m.0369l.com]
[作者:網(wǎng)站建設(shè)]
[日期:15-03-25]
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如果你在校園里遇到一群學(xué)物理的研究生,問他們所學(xué)專業(yè)是什么?其中十有八九你會(huì)得到同一個(gè)答案—— 凝聚態(tài)物理學(xué)。是的,凝聚態(tài)物理學(xué)作為現(xiàn)代物理研究中最大的分支,據(jù)保守估計(jì),世界上有八成以上的物理學(xué)家都來自此研究領(lǐng)域,作為科學(xué)家們助手的研究生,也一樣有如此龐大的隊(duì)伍。
究竟什么是凝聚態(tài)?我們熟知傳統(tǒng)物理將物體分為三態(tài):氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。其中氣態(tài)中分子間距比較大(約為分子直徑的10到100倍),以致于它們之間的電磁相互作用力非常微弱,比如理想氣體中分子間就不存在相互作用。然而液態(tài)和固態(tài)就不同了,它們的分子間距很小,有的甚至是緊密排列在一起的,這導(dǎo)致分子/原子之間是緊緊抱團(tuán)在一起,把它們分開需要付出一定的能量——這就是凝聚的力量!實(shí)際上凝聚態(tài)不僅僅包括液態(tài)和固態(tài),也包括介于兩者之間的狀態(tài),如液晶、玻璃、溶膠等狀態(tài),對(duì)于分子間距較小的稠密氣體也屬于凝聚態(tài)的范疇。毫無疑問,人類生活世界里絕大部分物質(zhì)都屬于凝聚態(tài)。如果說物理研究的是“萬物之理”,那么凝聚態(tài)的研究對(duì)象就是“九千物之理”了。研究對(duì)象如此包羅萬象,研究的科學(xué)問題也意味著紛繁復(fù)雜,研究隊(duì)伍也就隨之龐大起來。因此,做物理研究的絕大部分都是做凝聚態(tài)物理的,這話一點(diǎn)兒也不假。
既然是研究自然界中的常見物質(zhì)材料,那么凝聚態(tài)物理必定大有用武之地。我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)都離不開各種材料的應(yīng)用,比如我們穿的衣服,棉毛質(zhì)的因?yàn)楦魺岷枚哂斜E再|(zhì),亞麻和滌綸等則因透氣性好而顯得清涼,而步入信息時(shí)代的現(xiàn)代社會(huì),電腦里面大部分是半導(dǎo)體材料做成的電子元器件, 液晶和LED顯示器更是各種材料的杰作。在一些特殊場(chǎng)合,比如航空航天領(lǐng)域,就需要一些耐高溫且延展性好的金屬合金材料。而凝聚態(tài)物理,實(shí)際上就是在不斷探索和尋找具有新奇物性的材料,并不斷發(fā)掘這些新材料的物理特性,一方面從基本物理原理上來解釋這些性質(zhì)的物理起源,為尋找更多的材料提供理論指導(dǎo),另一方面則試圖在原型器件上將這些材料的特性加以應(yīng)用,為人類生活編織更美好的未來。
凝聚態(tài)物理的好玩之處就在于,在不斷探索新材料、發(fā)現(xiàn)新物性、揭示新機(jī)理、試圖新應(yīng)用的過程中,領(lǐng)會(huì)大自然中最為原始的奧秘—— 自然之美。自然之美總是令人嘆為觀止的,自然的規(guī)律更是不斷誘發(fā)人類的好奇心。比如,如果問到翩翩起舞的蝴蝶翅膀、婀娜多姿的人類身體和宏偉壯觀的故宮建筑有什么共同之處?學(xué)凝聚態(tài)物理的同學(xué)一定能告訴你答案——那就是對(duì)稱性。對(duì)稱本身就是一種美,如果某人僅有一只眼睛或者一只耳朵,就一定顯得怪異非常,就像電影《怪物公司》里面的各種怪物一樣。有趣的是,自然在追求對(duì)稱之美的同時(shí)也存在不對(duì)稱之美。因?yàn)闅滏I的存在導(dǎo)致雪花冰晶有著各種各樣的形狀,雖然它們絕大部分都是整體上為六角形,但是細(xì)節(jié)上卻各有不同。正如一句名言道:“世界上不存在兩片完全相同的樹葉”,即便是一個(gè)貌似高度對(duì)稱的六角冰晶,它也總是在某些地方并不是那么完美對(duì)稱的(見圖1)!對(duì)稱度的降低在凝聚態(tài)物理中叫做對(duì)稱破缺,正是這種對(duì)稱破缺給我們生活的世界帶來了多樣性,男孩的發(fā)型有時(shí)偏分可能比中分更帥氣,而女孩若在一只手上戴上手鐲也許更添標(biāo)致。在凝聚態(tài)物質(zhì)中,對(duì)稱性的破缺意味著一種新有序態(tài)的產(chǎn)生,對(duì)應(yīng)一種相變。如水結(jié)成冰,水分子就是從一種相對(duì)無序的狀態(tài)形成了有序的排列。我們常見的白糖、食鹽乃至鉆石都具有一定的規(guī)則幾何外形,這正是因?yàn)槠鋬?nèi)部原子存在規(guī)則有序排列所致( 見圖2)。如果加熱到熔點(diǎn)以上,這些具有規(guī)則外形的晶體就會(huì)熔化,恢復(fù)到對(duì)稱性更高的液體,進(jìn)一步加熱液體將會(huì)汽化成離散的氣體。同樣,固體材料中的磁矩/自旋也會(huì)因?yàn)橄嗷プ饔枚纬梢?guī)則排列結(jié)構(gòu), 組合成鐵磁、反鐵磁、順磁、螺旋磁等各種紛繁的磁性結(jié)構(gòu)推薦:www.bdmszx.com
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