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上交所:进一步吸引外资参与科创板市场

時間: 2019年05月11日 | 作者: Frank Wilczek | 來源: 環球科學(huanqiukexue.com)
當波士頓或斯德哥爾摩的氣溫徘徊在0℃上下時,我們得到的天氣預報往往是不確定的︰可能下雨或下雪

第十六回 | 小改變,大不同



撰文 | 弗蘭克?維爾切克(Frank Wilczek)

翻譯 | 胡風?梁丁當


當波士頓或斯德哥爾摩的氣溫徘徊在0℃上下時,我們得到的天氣預報往往是不確定的︰可能下雨或下雪,具體是什麼則完全取決于實際氣溫是在零上還是零下。其間的差別是非常大的——前者不過是一場陣雨,而後者卻可能導致城市交通癱瘓,因為雪佔據的體積大約是雨的10倍,並且不像雨水那樣容易流走。


對我們這些常年在寒冷氣候中生活的人來說,這種不確定性可謂司空見慣。然而仔細想想,這種不確定性其實是很奇怪的︰如果不是親身體驗過,我們大概會以為條件的細微改變只會對結果產生微弱的影響。


當溫度越過某個臨界值時水突然會變成冰,這個現象被物理學家稱為相變。相變有很多種,結冰只是一個我們熟悉的典型例子。在20世紀,相變一直是基礎物理學研究中一個讓人頭疼的難題,在這類研究的引導下,物理學家對許多領域有了更深刻的全新認識——小到夸克的性質、大到宇宙的演化。


讓我們考慮一個最簡單的相變例子,它與磁鐵相關。我們熟悉的磁鐵,無論是條形還是馬蹄形,其磁性都是源于內部電子的排列方式。磁鐵中的每個電子都在做自旋運動,它們就像是微型的地球,電子磁場南北極之間的連線就是它的旋轉軸。當所有電子的旋轉軸都沿著同一個方向排列時,它們的磁場就會相互疊加而增強,讓整個磁鐵表現出磁性。


但如果你加熱磁鐵,那麼電子的自旋軸就會不斷搖動,使它們難以形成有序的排列,當溫度足夠高的時候,磁鐵的磁性就消失了。這種磁性的改變,和冰與水之間的轉變一樣,是在某個溫度下突然發生的。例如,磁鐵礦的磁性大約在570℃時突然消失。磁性消失的臨界溫度被稱為居里溫度(Curie temperature,以居里夫人的丈夫、杰出物理學家、1903年諾貝爾物理學獎得主皮埃爾?居里的名字命名)。


我們如何理解這種突然的改變呢?簡單地說,當我們加熱磁鐵時,電子自旋軸的擺動越來越劇烈,從而越來越難以相互鎖定並保持整齊排列。當一個電子的自旋運動脫離束縛獲得自由時,它就不再幫助鄰近的電子自旋保持排列整齊,使得下一個電子的自旋更容易掙脫束縛,這樣一個接一個,發生連鎖反應。也就是說,一旦能量達到了某個臨界值,自旋的解放就不可避免了。

 

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今晨波士頓的氣溫降到了零度以下。看著陽光照在雪上反射出的耀眼光芒,我任由腦海里關于相變的思緒肆意延伸,最後停留在著名的鴨兔錯覺上︰面對這個可鴨可兔的圖形,我們的大腦神經元必須達成一致意見,來決定我們看到的到底是鴨子還是兔子——雖然這兩種選擇都是有道理的。當大腦的選擇改變時,我們看到的圖像也就會突然變化。

 

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通過類比和比喻,我們可以進一步地拓展相變的概念。例如,有時候我們會看到少數人對傳統認知發起的挑戰會引發整體輿論的突然變化。


在20世紀,物理學家已經掌握了簡單材料中因溫度變化所導致的相變。而當今的物理學前沿則是研究在動力驅動的物理系統中,因為驅動力的微小變化導致系統性質發生的巨大改變。例如,隨著氣溫升高,地球上的冰逐漸融化,從而導致地表反射的太陽熱量減少,這反過來又進一步促使氣溫升高……這樣下去,也許會導致一場劇烈的災難性改變。所以,我很珍愛冬天的雪,慶幸還能夠享受有雪的冬天。