玻璃在低温下可能是一种新的物质形态

原理 · 发表于 2017-6-23 02:39:58

玻璃在低温下可能是一种新的物质形态: 玻璃在低温下可能是一种新的物质形态,在数学上，高度有序的晶体更容易理解，而且物理学家早已发展了一系列理论来描述晶体的性质——从它们如何吸热到它们破碎后的行为。但对于玻璃、冷冻食物或特定的塑料等这些非晶体或无序的材料，目前并未出现普遍被接受的理论以解释它们的物理行为。,

不断地放大一块晶体，就会发现高度有序排列的原子；但放大一块玻璃的时候就会看到一幅较为混乱的图景，像是随机的一盘散沙。
在数学上，高度有序的晶体更容易理解，而且物理学家早已发展了一系列理论来描述晶体的性质——从它们如何吸热到它们破碎后的行为。但对于玻璃、冷冻食物或特定的塑料等这些非晶体或无序的材料，目前并未出现普遍被接受的理论以解释它们的物理行为。
在过去的30年中，物理学家一直争论着在这些无序材料的理论模型中存在的一种神秘的相变，是否也存在于现实生活中的玻璃。从粒子物理学借鉴的一些数学上魔法，加上几十页的手写代数计算，杜克大学的研究员 Sho Yaida终于解决了这场持续了近30年的争论。

△通过30页的手算，Sho Yaida揭开了玻璃和其它无序材料在低温下的神秘本质。它们很可能是一种全新的物质状态。（图片来源：Irem Altan）
Yaida的洞察力打开了某些类型的玻璃能够在低温下处于一种新的物质状态的可能性。这意味着在低温下，玻璃对热、声音和压力的反应可能不同。
Sho Yaida的导师 Patrick Charbonneau表示：“我们找到了这种相变的线索，但以前我们不敢说这是该相变的证据，因为学术界普遍认为它是不可能存在的。而 Sho证明了它可以存在。”
但最令 Charbonneau惊讶的地方在于，玻璃和其它无序系统的背后的数学在假想的无限维度宇宙中更容易求解。在无限维度下，它们的性质能相对容易的被计算，这好比是在三维宇宙中计算晶体的性质。
在这些无限维度计算中的一个特色是存在一种相变，被称为“Gadner相变”。如果这种相变存在于玻璃之中，就会显著地改变玻璃在低温时的性质。

△玻璃在低温下可能是一种新的物质状态。（图片来源：Sasha Taylor, CC-BY-SA-3.0 license）
但这种在无限维度中明显存在的相变也存在于三维之中吗？回到1980年代，一群物理学家进行了数学计算，并给出了否定的答案。因此，在过去的30年中，物理界普遍的观点都认为虽然这种相变在理论上很有趣，但跟现实世界无关。
直到最近，Charbonneau和其他人在玻璃形成的实验和模拟中发现了三维玻璃上存在该相变的线索。
有着粒子物理学背景的 Yaida重新研究了过去的数学证明。他发现过去的计算中并没有找到在三维中的一个“定点”——这是该相变存在的先决条件。他认为自己只要进一步的计算，或许就会得到不一样的答案。

△在过期的计算中，研究人员无法在三维中找到一个“定点”，或者所有线条重叠的一个点（左）。通过进一步计算，Yaida确定了该点的位置（右），证明了玻璃在低温下或许存在着一个新的相变。（图片来源：Sho Yaida）
在一个月的努力后，满满30页的计算手稿，Yaida终于证明了自己的猜测。
Yaida说：“这样的时刻正是我投身于科学的原因，虽然仅仅只是一个点，但对于这个领域的研究人员来说却意义非凡。它使人们在七八十年代苦苦追寻的奇异物态在三维世界中有了物理关联。”
经过了一年的反复校对，加之额外的几十页辅助计算，这项结果终于发表在5月26日的《物理评论快报》上[2]。
Charbonneau表示：“该相变可能真实存在于三维世界的事实意味着我们应该开始认真的对待它。它影响了声音是如何传播的，有多少热会被吸收，信息的传输。以及如果开始剪切玻璃，它将会如何形成，又将如何破裂。该研究深远地影响了我们对非晶体的理解，无论它们是塑料、散沙或玻璃。”
参考来源：
【1】https://today.duke.edu/2017/05/breaking-glass-infinite-dimensions
【2】Patrick Charbonneau et al, Nontrivial Critical Fixed Point for Replica-Symmetry-Breaking Transitions, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.215701

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