30頁(yè)稿紙手算，證明玻璃在低溫下可能是一種新的物質(zhì)形態(tài)

【中玻網(wǎng)】不斷地放大一塊晶體，就會(huì)發(fā)現(xiàn)高度有序排列的原子；但放大一塊玻璃的時(shí)候就會(huì)看到一幅較為混亂的圖景，像是隨機(jī)的一盤散沙。

　　在數(shù)學(xué)上，高度有序的晶體更容易理解，而且物理學(xué)家早已發(fā)展了一系列理論來描述晶體的性質(zhì)——從它們?nèi)绾挝鼰岬剿鼈兤扑楹蟮男袨�。但�?duì)于玻璃、冷凍食物或特定的塑料等這些非晶體或無序的材料，目前并未出現(xiàn)普遍被接受的理論以解釋它們的物理行為。

　　在過去的30年中，物理學(xué)家一直爭(zhēng)論著在這些無序材料的理論模型中存在的一種神秘的相變，是否也存在于現(xiàn)實(shí)生活中的玻璃。從粒子物理學(xué)借鑒的一些數(shù)學(xué)上魔法，加上幾十頁(yè)的手寫代數(shù)計(jì)算，杜克大學(xué)的研究員Sho Yaida終于解決了這場(chǎng)持續(xù)了近30年的爭(zhēng)論。

　　通過30頁(yè)的手算，Sho Yaida揭開了玻璃和其它無序材料在低溫下的神秘本質(zhì)。它們很可能是一種全新的物質(zhì)狀態(tài)。

　　Yaida的洞察力打開了某些類型的玻璃能夠在低溫下處于一種新的物質(zhì)狀態(tài)的可能性。這意味著在低溫下，玻璃對(duì)熱、聲音和壓力的反應(yīng)可能不同。

　　Sho Yaida的導(dǎo)師Patrick Charbonneau表示：“我們找到了這種相變的線索，但以前我們不敢說這是該相變的證據(jù)，因?yàn)閷W(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為它是不可能存在的。而Sho證明了它可以存在。”

　　但較令Charbonneau驚訝的地方在于，玻璃和其它無序系統(tǒng)的背后的數(shù)學(xué)在假想的無限維度目前市場(chǎng)中更容易求解。在無限維度下，它們的性質(zhì)能相對(duì)容易的被計(jì)算，這好比是在三維目前市場(chǎng)中計(jì)算晶體的性質(zhì)。

　　在這些無限維度計(jì)算中的一個(gè)特色是存在一種相變，被稱為“Gadner相變”。如果這種相變存在于玻璃之中，就會(huì)顯著地改變玻璃在低溫時(shí)的性質(zhì)。

　　玻璃在低溫下可能是一種新的物質(zhì)狀態(tài)。

　　但這種在無限維度中明顯存在的相變也存在于三維之中嗎？回到1980年代，一群物理學(xué)家進(jìn)行了數(shù)學(xué)計(jì)算，并給出了否定的答案。因此，在過去的30年中，物理界普遍的觀點(diǎn)都認(rèn)為雖然這種相變?cè)诶碚撋虾苡腥�，但跟現(xiàn)實(shí)世界無關(guān)。

　　直到較近，Charbonneau和其他人在玻璃形成的實(shí)驗(yàn)和模擬中發(fā)現(xiàn)了三維玻璃上存在該相變的線索。

　　有著粒子物理學(xué)背景的Yaida重新研究了過去的數(shù)學(xué)證明。他發(fā)現(xiàn)過去的計(jì)算中并沒有找到在三維中的一個(gè)“定點(diǎn)”——這是該相變存在的先決條件。他認(rèn)為自己只要進(jìn)一步的計(jì)算，或許就會(huì)得到不一樣的答案。

　　在過期的計(jì)算中，研究人員無法在三維中找到一個(gè)“定點(diǎn)”，或者所有線條重疊的一個(gè)點(diǎn)（左）。通過進(jìn)一步計(jì)算，Yaida確定了該點(diǎn)的位置（右），證明了玻璃在低溫下或許存在著一個(gè)新的相變。

　　在一個(gè)月的努力后，滿滿30頁(yè)的計(jì)算手稿，Yaida終于證明了自己的猜測(cè)。

　　Yaida說：“這樣的時(shí)刻正是我投身于科學(xué)的原因，雖然僅僅只是一個(gè)點(diǎn)，但對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域的研究人員來說卻意義非凡。它使人們?cè)谄甙耸甏嗫嘧穼さ钠娈愇飸B(tài)在三維世界中有了物理關(guān)聯(lián)。”

　　經(jīng)過了一年的反復(fù)校對(duì)，加之額外的幾十頁(yè)輔助計(jì)算，這項(xiàng)結(jié)果終于發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

　　Charbonneau表示：“該相變可能真實(shí)存在于三維世界的事實(shí)意味著我們應(yīng)該開始認(rèn)真的對(duì)待它。它影響了聲音是如何傳播的，有多少熱會(huì)被吸收，信息的傳輸。以及如果開始剪切玻璃，它將會(huì)如何形成，又將如何破裂。該研究深遠(yuǎn)地影響了我們對(duì)非晶體的理解，無論它們是塑料、散沙或玻璃。”