科学|2021年诺贝尔物理学奖权威解读,你想知道的都在这里!( 六 )


气体中的粒子可以被视为小球 , 其飞行速度随温度的升高而增加 。 当温度下降或压力升高时 , 小球首先凝结成液体 , 然后凝结成固体 。 这种固体通常是一种晶体 , 球在晶体中以规则的模式排列 。 然而 , 如果这种变化发生得很快 , 球可能会形成一种不规则的图案 , 即使液体进一步冷却或挤压在一起图案也不会改变 。 如果重复实验 , 球将呈现新的图案 , 尽管变化以完全相同的方式发生 。 那么为什么结果不同呢?

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复杂无序系统的数学
复杂性的理解
这些小球可以看做一般的玻璃和颗粒材料(如沙子或者砾石)的简化模型 。 然而 , 帕里西最初研究的是一种不同的系统——自旋玻璃 , 这是一种特殊的金属合金 , 例如 , 在铜原子中随机混合铁原子 , 虽然只有少量的铁原子 , 但是它们以一种极端而又令人费解的方式改变了材料的磁性 。 铁原子就像一个小磁针或者自旋 , 被其附近的铁原子影响 。 一般的磁体中 , 所有的自旋都指向同一个方向 , 但在自旋玻璃中这些是阻挫的 。 一些自旋配对偏向于指向于同一方向 , 而另一些自旋偏向于指向相反的方向 , 所以如何找到它们最优的排列呢?
在帕里西关于自旋玻璃的书的介绍中 , 他写道:研究自旋玻璃就像看莎士比亚的四大悲剧 。 如果你想跟两个人同时做朋友 , 但是这两个朋友之间互相敌视 , 这会让人沮丧 。 这类的场景在古典悲剧中更是突出 , 如果感情最要好的朋友和敌人在同一个舞台上相遇 , 怎样才能把房间的紧张氛围降到最低?

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阻挫:当一个自旋向上 , 另一个向下时 , 由于相邻的自旋趋向于指向不同的方向 , 所以第三个自旋不能同时满足它们 。 自旋是如何找到一个最佳方向的?乔治·帕里西擅长分析在不同材料和现象中的这个问题 。
自旋玻璃及其奇特的性质为研究复杂系统提供了一个模型 。 20世纪70年代 , 包括很多诺贝尔物理学奖获得者在内的很多物理学家 , 都在寻找一种方法来描述这类神秘而令人沮丧的自旋玻璃 。 他们使用的一种方法是副本方法(replica trick) , 这是一种同时处理系统的多个副本的数学技术 。 然而 , 在物理学方面 , 最初的计算结果是不可信的 。
1979年 , 帕里西在演示如何使用副本方法解决自旋玻璃问题时 , 取得了决定性的突破 。 他发现这些副本背后有隐藏的结构 , 同时找到了用数学描述该结构的方法 。 为了从数学上证明该方法是对的 , 帕里西花了很多年 。 自此 , 帕里西的方法便被用于无序系统 , 成为复杂系统理论的基石 。

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