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超导“小时代”之十三:双结生翅成超导 | 物理八卦荟

四张机,鸳鸯织就欲双飞。可怜未老先白头,春波碧草,晓寒深处,相对浴红衣。

——《古乐府诗词·九张机》

撰文

罗会仟(中国科学院物理研究所副研究员)

白居易在《长恨歌》里这样描述唐明皇和杨贵妃的爱情:“在天愿作比翼鸟,在地愿为连理枝。天长地久有时尽,此恨绵绵无绝期。”自古以来,我们的自然界多种动物乃至人类,都更喜欢一夫一妻制的配对。这是繁衍后代的本能需求,也是克服孤独苦寂的最佳方式,满足了生存的生理和心理双重需要(图1)。正所谓“男女搭配、干活不累“,成双入对的方式极大提高了人们的生活效率,每一个单身汉都痛恨“对月形单望相护”的惨境,盼望有朝一日能“只羡鸳鸯不羡仙”。

图1 比翼鸟与双飞蝶(图片来源:昵图网)

从生物学来看,很多事物都和两两成对有关。比如从生理结构上往往有两只脚、两只手、两个耳朵、两只眼睛、两扇翅膀……从社会行为上有“一山不容二虎、除非一公一母”,从生活工具上有一双筷子、一副对联、一对铙钹……“有点二”的世界,就是这么有趣。

在物理学中,“二”这个数字,并不奇怪。我们生活的世界,就是一个充满二元极性的世界。正如老子在《道德经》言道:“太极生两仪、两仪生四象、四象生八卦”,古人朴素哲学思想里认为“万物负阴而抱阳,冲气以为和”,从二出发,才演生出我们的纷繁复杂的世界。自然界的电荷分正负两种,粒子分正反两类,磁极也分南北两极,量子有波粒二象性,电子自旋分上下两种状态……似乎很多物理研究对象只需要两两成对的数字就可以了。非常有趣的是,一些著名的物理定律也是和“二”有关,比如库仑定律和万有引力定律都是遵循平方反比的形式,氢原子光谱体现出平方倒数差的规律,狭义相对论表征距离公式是微分二次型[1]

诚然,对于单体系统,物理学往往可以给出精确的描述。自从有了“二”,物理世界就变得极其复杂多变起来。若是到了“三体世界”,很多时候物理学理论和物理学家们都是比较懵的。如要描述固体世界里的电子运动状态, 那我们必须面临的是1023量级的对象, 可以肯定,没有谁能够给出精确的数学理论。好在布里渊、布洛赫、费米、朗道等人的固体量子论给了我们方便,微观世界的原子是周期排列的,因此可以大大简化理论模型。相对原子来说,电子的尺寸要小的多得多,电子在原子间隙中穿梭空间非常巨大,倘若电子浓度足够低,电子—电子之间相互作用非常弱,就可以把电子独立开来研究。只要理解了其中一个电子的运动行为,就可以推而广之描述这一群电子的行为。于是,又回到了数量为一的物理学问题,处理起来似乎轻松多了。这种既简单又显懒惰的方法一方面给固体物理学家带来了许多方便,另一方面却也带来了不少麻烦,甚至引人进入了死胡同牛角尖出不来。从一跨越到二的物理学,看似容易,实则艰难。

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