очень многие, судя по всему, обсуждают проблемы с физической наукой: книга Питера Войта Даже Не ошибается, проблема Ли Смолина с физикой, а Сабина Хоссенфельдер потерялась в математике, и они начали более обширную дискуссию. Однако действительно ли вся материальная наука находится в трудном положении или только некоторые из них? В том случае, если вы действительно прочитаете эти книги, вы увидите, что они касаются якобы "существенной" физической науки. Некоторые различные разделы физической науки идут хорошо и отлично, и мне нужно просветить вас относительно одного из них. Это классифицируется как "консолидированная материальная наука", и это исследование твердых тел и жидкостей. Мы живем в блестящий период развития физической науки о консолидированной материи.
Прежде всего, что такое "ключевая" материальная наука? Это ненадежный термин. Вы можете подумать, что любое по-настоящему прогрессивное продвижение в физической науке считает необходимым. Однако на самом деле физики используют этот термин более точным, едва разграниченным способом. Одна из целей физической науки состоит в том, чтобы разобраться в определенных законах, которые, в любом случае, на базовом уровне мы могли бы использовать, чтобы предвидеть все, что можно предвидеть о реальной вселенной. Поиск этих законов-основная материальная наука.
Есть еще много замечательных новых физических наук, которые заканчиваются.
Мелкий шрифт имеет решающее значение. Во-первых: "на базовом уровне". на фундаментальном уровне мы можем использовать основную физическую науку, которую мы знаем, чтобы вычислить предел воды с чудовищной точностью—однако никто еще не сделал этого на том основании, что вычисление является трудным. Во-вторых: "все это можно предвидеть." Насколько мы можем судить, квантовая механика говорит, что в вещах есть характерный произвол, который делает некоторые ожидания немыслимыми, а не только необоснованными, чтобы завершить их убедительно. Более того, этот характерный квантовый произвол время от времени усиливается в течение длительного времени чудом под названием бедлам. Таким образом, независимо от того, обладали ли мы сейчас глубоким пониманием Вселенной, мы не смогли полностью предвидеть климат через 12 месяцев. Таким образом, независимо от того, будет ли фундаментальная материалистическая наука полностью успешной, она будет далека от того, чтобы дать ответ на каждый из наших запросов, касающихся реального мира. Как бы то ни было, это важно в любом случае, поскольку это дает нам фундаментальную структуру, в которой мы можем попытаться ответить на эти запросы.
на данный момент исследования в области фундаментальной физической науки дали нам Стандартную модель (которая, похоже, изображает материю и все силы, за исключением гравитации) и Общую теорию относительности (которая изображает гравитацию). Эти спекуляции чрезвычайно эффективны, но мы понимаем, что они не являются окончательным словом. Неизбежные проблемы остаются без ответа—например, идея тусклой материи или что-то еще, что обманывает нас, заставляя поверить, что существует тусклая материя. Поразительно, но прогресс в этих расследованиях был крайне запоздал с 1990-х годов. К счастью, фундаментальная физическая наука-это не вся физическая наука, и сегодня это не самая энергичная часть физической науки. Есть еще много потрясающих новых физических наук, которые заканчиваются. Кроме того, тонна его—однако ни в коем случае, форма или форма всего—это консолидированная материальная наука.
Как правило, работа физической науки о плотной материи заключалась в том, чтобы предвидеть свойства твердых тел и жидкостей, встречающихся в природе. В некоторых случаях это может быть трудно: например, регистрация края закипания воды. Тем не менее, в настоящее время мы осознаем достаточную ключевую физическую науку, чтобы планировать аномальные новые материалы, а затем действительно создавать эти материалы и проверять их свойства с помощью тестов, проверяя наши предположения о том, как они должны функционировать. Гораздо лучше, эти испытания часто должны быть возможны на столе. Здесь нет необходимости в огромных педалях газа молекулы.
Мы должны взглянуть на модель. Начнем со скромного "открытия." Драгоценный камень-это обычный экспонат молекул, каждая из которых содержит определенные электроны, вращающиеся вокруг нее. В тот момент, когда один из этих электронов так или иначе сбивается, мы получаем "открытие": йоту с отсутствующим электроном. Кроме того, это отверстие действительно может перемещаться, как молекула! В тот момент, когда электрон из какой-то соседней йоты перемещается, чтобы заполнить отверстие, отверстие перемещается к соседней молекуле. Представьте себе линию людей, все носящих шапки, кроме одного, чья голова непокрыта: если их сосед одолжит им свою шапку, открытая голова переместится к соседу. В случае, если это будет продолжаться, открытая голова упадет вниз по линии людей. Недостаток вещи может действовать как вещь!
Известный физик Поль Дирак задумался об открытиях в 1930 году. Он фактически предвидел, что, поскольку электроны имеют отрицательный электрический заряд, отверстия должны иметь положительный заряд. Дирак скупился на основные физические науки: он верил, что протон может быть прояснен как открытие. Это оказалось недействительным. Позже физики обнаружили еще одну молекулу, которая могла бы это сделать: "позитрон." На самом деле это похоже на электрон с противоположным зарядом. Кроме того, таким образом была задумана антиматерия—злонамеренный близнец обычной материи, с аналогичной массой, но противоположным зарядом. (Впрочем, это уже другая история.)
Сейчас мы живем в период "плановой материи"."
В 1931 году Вернер Гейзенберг применил открытия к материаловедению плотной материи. Он понимал, что точно так же, как электроны создают электрический поток, когда они движутся, дырки делают то же самое—но поскольку они сильно заряжены, их электрический поток идет в другую сторону! Оказалось очевидным, что отверстия передают электрический поток в части материалов, называемых "полупроводниками": например, кремний с добавлением алюминия. После многочисленных дальнейших поворотов событий в 1948 году физик Уильям Шокли лицензировал полупроводники, которые использовали два отверстия и электроны, чтобы сформировать своего рода переключатель. Позже он получил за это Нобелевскую премию, и теперь они, как правило, используются в микрочипах.
Отверстия в полупроводниках на самом деле не являются частицами в понимании фундаментальной физической науки. Они являются лишь полезной точкой зрения на движение электронов. Как бы то ни было, любое адекватно полезное обсуждение требует безошибочного перелива энергии. Условия, описывающие поведение отверстий, очень похожи на условия, описывающие поведение частиц. В этом направлении мы можем рассматривать отверстия так, как если бы они были частицами. Мы действительно видели, что открытие подчеркнуто заряжено. Но поскольку требуется энергия, чтобы заставить отверстие вращаться, отверстие также действует так, как будто у него есть масса. И т. Д.: Свойства, которые мы обычно присущи частицам, также хорошо предвещают открытия.
У физиков есть название для вещей, которые действуют как частицы, несмотря на то, что это не так: "квазичастицы." Существует множество разновидностей; открытия являются лишь одним из самых простых. Великолепие квазичастиц заключается в том, что мы можем, по существу, специально создавать их, обладая огромным набором свойств. Как выразился квантовый физик Майкл Нильсен, сейчас мы живем в период "материи творца"."
Например, рассмотрим "экситон." Поскольку электрон заряжен противоположно, а отверстие заряжено подчеркнуто, они притягивают друг друга. Более того, если отверстие намного тяжелее электрона—вспомните, у отверстия есть масса—электрон может вращаться вокруг отверстия так же, как электрон вращается вокруг протона в молекуле водорода. Таким образом, они структурируют своего рода фальшивую молекулу, называемую экситоном. Это жуткий танец качества и непринужденности!
Возможность экситонов возвращается прямо к 1931 году. На этом этапе мы можем создавать экситоны в огромных количествах в конкретных полупроводниках и различных материалах. Они не продолжаются долго: электрон быстро снова падает в отверстие. Обычно для этого требуется не совсем миллиардная доля секунды. Тем не менее, это достаточная возможность сделать некоторые интригующие вещи. Подобно тому, как две иоты водорода могут оставаться вместе и структурировать атом, два экситона могут оставаться вместе и структурировать "биэкситон"." Экситон может прилипнуть к другому отверстию и образовать "трион"." Экситон может даже прилипать к фотону—молекуле света—и структурировать то, что многие называют "поляритоном"." Это смесь проблемы и света!
Смогли бы вы сделать газ из поддельных iotas? В самом деле! При низких плотностях и высоких температурах экситоны вращаются с большой скоростью, как иоты в газе. Сможете ли вы сделать жидкость? Еще раз, да: при более высоких плотностях и более низких температурах экситоны находят друг друга достаточно, чтобы действовать как жидкость. При значительно более низких температурах экситоны могут даже формировать "сверхтекучую жидкость" с почти нулевой консистенцией: на случай, если вы тем или иным способом сможете заставить ее вращаться, она будет продолжаться во всех смыслах и целях целую вечность.
Это лишь малая часть того, что в настоящее время делают ученые в области материаловедения консолидированной материи. Помимо экситонов, они рассматривают большую группу различных квазичастиц. "Фонон" - это квазичастица звука, сформированная из колебаний, проходящих через драгоценный камень. "Магнон" - это квазичастица поляризации: биение электронов в драгоценном камне, изгибы которого перевернулись. Краткое изложение продолжается и оказывается вечно неясным.
В любом случае, поле дополнительно содержит значительно больше, чем квазичастицы. Теперь физики смогут создавать материалы, в которых скорость света намного медленнее, чем ожидалось, скажем, 40 миль 60 минут. Они даже могут создавать материалы, в которых свет движется так, как если бы было два измерения пространства и двойное поперечное измерение, а не типичные три компонента комнаты и один из времени! Обычно мы представляем, что время может идти вперед только в одном направлении, однако в этих веществах свет принимает решение между широким диапазоном заголовков, он может идти "вперед по расписанию"." С другой стороны, его движение в пространстве связано с плоскостью.
Проще говоря, потенциальные результаты плотной материи ограничены исключительно нашим творческим разумом и ключевыми законами физической науки.
в этот момент обычно какой-нибудь циник присоединяется и спрашивает, полезны ли эти вещи. На самом деле, часть этих новых материалов, вероятно, будет полезна. Действительно, тонна физической науки о плотной материи, хотя и менее захватывающая, чем то, что я совсем недавно описал, решительно направлена на создание новых усовершенствованных центральных процессоров—и, кроме того, на такие достижения, как "фотоника", которая использует свет, а не электроны. Продукты фотоники широко распространены—они впитывают современные инновации, подобные телевизорам с плоским экраном,—однако физики в настоящее время сосредоточены на более экстремальных приложениях, подобных ПК, которые обрабатывают данные с использованием света.
В этот момент регулярно появляется какой-нибудь другой циник и спрашивает, является ли материальная наука о плотной материи "просто проектированием." очевидно, что фактическая причина этого запроса раздражает: в проектировании нет ничего плохого! Попытка собрать полезные вещи не просто важна сама по себе, это экстраординарный метод для поднятия глубоких новых вопросов о физической науке. Например, вся область термодинамики и возможность энтропии возникли в ограниченной степени из попыток собрать лучшие паровые двигатели. Однако физическая наука о плотной материи-это не просто проектирование. Огромные его сегменты-это исследование возможных результатов проблемы, подобное тому, что я обсуждал здесь.
В настоящее время область физической науки о плотной материи так же загружена новым опытом, как и исследование рудиментарных частиц или темных отверстий. Кроме того, в отличие от основной физической науки, прогресс в области физики консолидированной материи происходит быстро—в некоторой степени, поскольку тесты столь же скромны и просты, и в ограниченной степени на том основании, что существует все больше новых областей для исследования.
Таким образом, когда вы видите, как кто—то жалуется на трудности важнейшей физической науки, относитесь к ним соответствующим образом, но не позволяйте этому вас огорчать. Просто найдите приличную статью о материаловедении плотной материи и прочитайте ее. Ты сразу просветлеешь.
Джон Баэз-преподаватель естественных наук в Калифорнийском университете в Риверсайде и специалист по проведению совещаний в Центре квантовых технологий в Сингапуре. Он пишет о математике, естественных науках и естественных проблемах в Азимуте.
