@ 2017.06.09 , 10:00

30页计算解决30年物质相变之谜

放大晶体就会发现有序的原子阵列,就像帝国大厦的窗户那样均匀排列。但是放大一块玻璃得到的场景则比较散乱——更像是一堆随机的沙子,或者像弗兰克·盖里大厦的窗户。

晶体高度有序的本质使其数学上很容易理解,物理学家已经提出了能表达所有晶体性质的理论,从晶体如何吸热到晶体破碎时发生的事情。

但对于类似玻璃的、无定形的或者“混乱的”材料并不适用,比如窗户上用的玻璃和花瓶,冷冻食品以及特定的塑料。对于它们的物理行为没有广泛认同的解释理论。

近30年来,物理学家一直在争论无序材料理论模型中存在的神秘相变是否也可能存在于实际的玻璃中。杜克大学博士后研究员Sho Yaida从粒子物理借鉴了某些数学知识,经过几十页手写的代数运算,终于终结了这个谜题。

30页计算解决30年物质相变之谜
credit: 煎蛋画师六翼

Sho Yaida的深刻见解提出了这样一种可能性,某些类型的玻璃在低温下可能处于一种新的物质状态,影响对热、声以及压力的响应方式,以及如何和何时破碎。

Yaida的导师、杜克大学化学副教授Patrick Charbonneau说道:“我们发现了相变的暗示,但我们不敢说这是相变的证据,因为有部分科学家认为这可能不存在。Sho则证实这的确存在。”

Charbonneau说道,这似乎令人难以置信,通过假设玻璃和其他无序系统存在于假设的无限维宇宙中,就能非常简单地解决这些材料背后的数学。在无限维中,能很容易算出它们的性质,就像在我们的三维宇宙中计算晶体的性质那样。

Charbonneau说:“问题是这个模型与现实世界有无关联。对于进行这些计算的研究者而言,赌的是随着你改变维数,事情的变化能缓慢到足以观察到从无限维到三维的变化过程。”

这些无限维计算的一个特征是存在相变——被人以先驱物理学家伊丽莎白·加德纳的名字命名的“加德纳相变”,如果在玻璃中存在将大大改变低温下的性质。

但这种在无限维中明确存在的相变是否在三维中也存在呢?回到1980年代,一组物理学家得到的数学计算表明不,不会的。由此三十年来一直盛行这样的观点:这种理论上很有趣的相变其实与实际世界无关。

也就是说,直到最近Charbonneau和其他人的实验和仿真才暗示可能存在于三维玻璃中。

Charbonneau说道:“重新检查这个观点的动机在于在处理玻璃形成问题时,他们发现了一种非常类似于这类研究中的相变,由此可能具有重要的材料应用。”

Yaida具有一定的粒子物理背景,对这个曾经的数学证明进行了重新检查。这些计算没能在三维中找到一个“定点”,而这是相变存在的前提条件。他想到,如果进一步推进这个计算,也许答案会不一样。

经过了一个月的30页演算,他做到了。

Yaida说道:“这种发现的时刻就是我做科学的原因。这只是一个点,但对于这个领域的人而言却意味无穷。这证实了这种在七十年代和八十年代中发现的奇异事物其实与三维世界有物理关联。”

经过一年的检验和再次检验,以及另外60多页的辅助计算,该研究结果发表在了5月26日的物理评论快报上。

Charbonneau说道:“这种相变可能真的存在于三维世界中这一事实意味着我们能开始严肃地对待它了。这会影响声音传播方式、热吸收方式以及信息传输方式。以及如果剪切玻璃,会发生什么,会如何损坏。”

“这将深刻改变我们对一般无定形材料的理解,不管是无定形塑料还是成堆沙子或者窗户玻璃。”

论文原文:DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.215701

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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