萬聖節還在cos傳統鬼怪？來看看物理版的“妖魔鬼怪”！_風聞

原創：中科院物理所

又是一年一度的萬聖節，

各路妖魔鬼怪也是蠢蠢欲動。

來源：百度圖片

我們搞物理的，

當然是不信這一套的。

我們有物理版的“妖魔鬼怪”。

妖/ DEMON

首先要向大家介紹的，是“妖”族代表隊的兩位成員。

它們一個可以通曉過去未來，一個可以控制單個分子，它們作為著名物理天團“四大神獸”的成員，可謂家喻户曉，婦孺皆知，它們就是——拉普拉斯妖（Démon de Laplace）以及麥克斯韋妖（Maxwell’s demon）！

拉普拉斯妖是由法國數學家拉普拉斯提出的一種假想生物，它知道宇宙中所有粒子的位置和動量信息，在經典力學中，它可以通過牛頓運動方程來計算得到宇宙中任意粒子在任意時間的信息，即通曉了宇宙的過去和未來。

拉普拉斯。。。不好意思串台了 | 來源：百度圖片

拉普拉斯妖 | 來源：百度圖片

麥克斯韋妖同樣是一種假想生物，由英國物理學家麥克斯韋提出。它的特別之處在於可以**控制單個分子，將一個絕熱容器裏的分子按運動速度不同分開，從而減小整個體系的熵。**麥克斯韋妖的能力來自於自身的“妖力”，在控制分子的過程中不消耗能量，因此整個體系便實現了自發的熵減，這是違背熱力學第二定律的。

麥克斯韋妖 | 來源：騰訊新聞@森羅萬象觀察

當然，現在的物理學家們已經為兩隻小妖分別準備好了籠子“關了起來”，其中關住拉普拉斯妖的籠子叫海森堡不確定性原理，關住麥克斯韋妖的籠子叫信息熵理論。受限於篇幅，此處不做展開，有興趣的小夥伴們可以自行了解。

魔/ MAGIC

接下來要介紹的，是“魔”族代表，它在最近幾年大火，是材料領域的大熱門，相關文章多次登上Nature、Science等頂級期刊，一個簡單的偏轉推開新世界的大門，它就是魔角石墨烯（magic-angle multilayer graphene）！

18年《自然》雜誌十大人物封面圖，漣漪形狀便是暗示魔角石墨烯

在瞭解魔角石墨烯之前，我們首先從二維材料説起。

我們可以分別用點、線、面、體來代表零維、一維、二維、三維，那二維材料就是隻有一個面，厚度為零的材料。當然，實際上的材料不可能是零厚度，通常**一個材料只有幾個原子層厚（幾個納米的量級）**的時候，就可以稱為二維材料。石墨烯就是一種典型的二維材料。

多層石墨烯結構 | 知乎@石墨烯大健康

二維材料有什麼特點呢？它們處在同一層的原子之間通常是共價鍵結合，而層與層之間只靠微弱的範德瓦爾斯力結合。所以只需要稍稍提供能量，便可以破壞層與層之間的結合，將其剝離成幾個少層材料。最早開始研究石墨烯的英國曼徹斯特大學的Geim等人，便是用膠帶直接從石墨晶體上撕出的石墨烯。

可以將二維材料想象成堆在一起的大餅，我們很容易就可以揭下來一層或者幾層，但是要把一張分開還是要使上一些力的。

堆疊的大餅 | 來源：百度圖片

通常情況下，上下層原子之間的位置關係固定，層與層之間堆疊時的角度也是固定的。但是，當我們得到了單層石墨烯之後，便可以人為進行堆疊得到雙層和多層石墨烯。

五層轉角石墨烯

在這個“堆大餅”的過程中，如果我們把它轉一下，讓上下兩層之間有一個角度，再給加個低温，好傢伙，堆出來的多層石墨烯超導了，而且還有希望成為高温超導體！不止是超導，關聯絕緣態、量子反常霍爾態等等諸多新奇的物態都出來了！

一個簡單的扭曲角度，如同魔法一般，將二維材料領域的研究引入到了新的世界，這大概便是“魔角”由來。

鬼/ GHOST

在量子場論領域中，有一系列的態被賦予了“鬼”之名，鬼（ghost）、鬼場（ghost field）、幽靈粒子（ghost particle）以及規範幽靈（gauge ghost），雖然它們有着“粒子”或者“場”這種“物理”的名字，但是它們本身卻是非物理的，僅僅是為了計算的便捷而產生。

前蘇聯理論物理學家路德維希·法捷耶夫（Ludwig D. Faddeev）用這樣一個例子來説明“ghost”的意義：在電動力學中，電磁場即光子場有四個分量，但實際只有兩種光子偏振，所以這四個分量中有兩個是非物理的，這時候便可以通過引入**“the ghosts”**來抵消非物理項的影響。

For example in electrodynamics, in order to maintain manifest Lorentz invariance, one uses a four component vector potential, whereas the photon has only two polarizations. Thus, one needs a suitable mechanism in order to get rid of the unphysical degrees of freedom. Introducing fictitious fields, the ghosts, is one way of achieving this goal.

事實上，在物理中不止知存在“鬼”，而且還分成了“好鬼”和“壞鬼”。

如果引入一個“鬼”能讓給定的理論自洽，那這個“鬼”就是“好鬼”，反之就是“壞鬼”。“好鬼”是虛擬的，而“壞鬼”則需要理論承認一個不需要的非虛的態，例如 Pauli–Villars ghosts引入了具有負動能的粒子，顯然是“壞”的。

在眾多“鬼”中，比較經典的一個便是鬼場，也叫法捷耶夫-波波夫鬼粒子（Faddeev–Popov ghosts），其名中的“法捷耶夫”部分便是來源於上面舉例的那位理論物理學家。鬼場的引入便解決了量子場論路徑積分時的一致性問題，同時它也是虛擬的，並不是實際存在的場。

怪/ STRANGE

在“妖”、“魔”、“鬼”之後，終於輪到了“怪”。

如果範圍不侷限於物理，在各種編程題目裏有**“怪數”**一説。而帶“怪”的物理名詞，小編想了很久，好像還真沒有。為此，小編還嘗試了用“怪場”、“怪力”這種可能出現的名詞去搜索，直到用“怪子”搜索的時候得到了下面這張圖。

OK，給大家科普一下，蟶（chēng）子！挺好吃的。

經過一番無用搜索之後，小編也是放棄了直接尋找的想法。

讓我們就換個思路。

其實很多名詞都有多種翻譯，比如**“strange particle”，國內普遍翻譯是奇異粒子**，但翻譯成怪粒子也未嘗不可，順着這個還有量子數中的奇異數“strangeness”，完全可以翻譯成怪數對吧。再比如魔鬼粒子“The devil particles”，也可以叫怪子。這麼一看，物理學中的“怪”還是很多的。

（物理名詞的翻譯問題有專門的規則，以上純屬玩笑，請勿當真。）

讓我們再把思路打開，鬼怪豈是如此不便之物？

漫長物理史上，最不缺的就是那些怪異的、出人意料的發現。

泊松為駁倒光的波動學説，親自計算，發現光源會在一個擋板後面形成一個亮斑，這顯然是反常理的；但是人們通過實驗，卻發現還真的會出現這樣一個亮斑！這個用來駁倒波動學説的論據，卻成為了證實波動學説的有力證據，從此**“泊松亮斑”**永遠在教科書上留名。

泊松亮斑

盧瑟福用α粒子轟擊金箔，本意是觀察原子的棗糕模型，卻意外發現了原子核的存在，推翻棗糕模型而建立了經典的原子的核式結構模型。

原子核式結構模型

普朗克為解釋黑體輻射，破天荒地假設能量以不連續性的方式吸收和發射，儘管其本人也難以相信這一點，甚至花了數年時間試圖否定這個想法。然而就是這一發現，打開了量子世界的大門。

黑體

在普朗克之後，量子力學蓬勃發展，這位更是物理中最大的“怪”。能量是不連續的，怪；粒子位置和動量不能同時確定，怪；物質既是波又是粒子，怪。這樣一個從頭怪到尾的理論，居然是現代物理學的兩大基石之一，甚至日常生活中都能看到各種各樣的“量子產品”，這難道不也是一種“怪”嗎？

物理，其實本身就是一門發現“怪”與研究“怪”的學科。經過研究與解釋，舊的“怪"逐漸被人熟知，不再是“怪”；新的“怪”得到發現，吸引人們去研究。如此重複，不斷探索，不斷求真。

除了物理，還有很多領域中有“妖魔鬼怪”的存在，小夥伴們知道哪些呢？歡迎在留言區分享~

參考資料：

1. https://encyclopedia.thefreedictionary.com/Ghost+(physics)