王大虎

王大虎:系统感知力与多量子协调能力的证明

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2013年10月,美国加州大学伯克利分校的泰伦斯·狄肯(Terrence Deacon)在近期的一次演讲中认为:生命最初开始的非常简单,它不可能产生于复杂的多个分子结合。在此之前一定有一步先创造了这些分子本身。

生命形成之前必须克服的一个棘手问题便是产生秩序。秩序可以在局部创造,即使整个系统倾向于混乱,但通过系统加热可以重新组织秩序,例如当均匀加热稀薄油层形成贝纳德对流晶格时,就会创造一种规则的六边形样式。

泰伦斯·狄肯(Terrence Deacon)认为:如果你加热某事物后它变得规则化,那么它要做的就是尽快摆脱这种热。如果你不持续向系统里输送热量,它就会自我关闭。事实上,自我组织的系统尽快毁坏保持组织秩序的一切条件。生命只可能在秩序产生后才能形成,但它必须保证秩序不会降级且系统不会最终自我毁灭。

英国诺丁汉大学物理与天文学院教授迈克尔·史密斯博士联合爱丁堡大学与都灵理工学院的研究人员,共同发现了一种性质奇异的“合成液体”,其在重击之下,会像固体一样粉身碎骨,而慢慢倾斜之后,又可如液体一般流淌。该研究成果刊登在英国《自然·通信》杂志上。史密斯博士介绍说,在低速条件下,该物质表现出液体的流动性,而在高速度和高浓度的状态下,就会如固体一样粉碎。这就好比在一杯水中倒入一大勺玉米淀粉,如果搅拌得足够快,溶液中的高密度颗粒便会彼此相融而形成紧固的糊状物。更令人惊异的是,在即将变成固状之前,该液体还会呈现出具有橡皮筋般X的细丝形态。

另外,英国《纳米通讯》杂志刊登了一则“石墨烯具有自我修复的能力”的报告。石墨烯是只有一层碳原子的世界上最薄的材料,科学家们为探索石墨烯在电学方面的特性,让石墨烯薄层与金属不断接触,这个过程在石墨烯薄层上造成了许多孔洞。研究人员用电子显微镜观察这些孔洞发现,孔洞中可能会嵌入金属原子,但如果孔洞周围还存在额外的碳原子,这些碳原子会将金属原子“赶”出来,自己则嵌入孔洞之中,并与石墨烯薄层中原有的碳原子相连接,使整个石墨烯薄层修复如初。研究人员认为,这一现象说明石墨烯具有良好的自我修复能将可以提高石墨烯的应用价值,进一步拓宽这种“神奇材料”展示身手的舞台。

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关于量子的协调能力,也可以从离子体态和玻色—爱因斯坦凝聚态上体现出来。

离子体态是指被激发的电离气体电离到一定程度后,便处于导电状态。这种状态的电离气体表现出集体行为,即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响其周围带电粒子,同时也受其他带电粒子的约束。因为电离气体内正负电荷数相等,所以电离气体整体表现出电中性,这种气体状态被称为等离子体态。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同,故称为物质第四态。

 

图044 加热引起的对流会在稀薄油膜上产生六边形的样式,展示了系统里是存在秩序和规则的(图片及参考资料来源:《地球生命如何起源:自发细胞的自发过程》凤凰科技,2013年10月14日,图片来源美国加州大学伯克利分校的泰伦斯·狄肯)

玻色—爱因斯坦凝聚态是物质的一种奇特的状态,处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同,它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态,要达到该状态,一方面需要物质达到极低的温度,另一方面还要求原子X处于气态。这需要让电子处于一种相互关联的状态中,一个电子上的变化立刻会由其他电子反映出来。

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在室温下,电子就像台球会相互撞击,遵守经典力X则。而随着温度不断降低,电子会平静下来并意识到临近电子的出现。接着,电子们可能就会集体行动,而这种集体行为则遵守量子力X则。电子们进行着一种复杂的“舞蹈”,它们都试图呈现最好的排列方式,让其达到最低能级状态并最终形成新的模式或基态。

同时在量子热力学上还有一个“普适状态”。在正常的量子系统中,决定粒子运动的是它们的类型(如原子、质子等),而在由强相互作用粒子(如费米子)形成的系统中,粒子的运动并不取决于它们的类型,这种运动状态就是“普适状态”。一个由澳大利亚科学家和中国科学家组成的研究小组利用费米气体的研究成果,证实了量子热力学的“普适状态”。

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另外据美国物理学家组织网2013年8月报道,美国科学家揭示了物质的量子状态自旋液体的存在机理,这有望加深科学家对超导性的理解。

自旋液体不是人们能触X的物质,它像一个有序排列的原子阵列内的磁无序状态。自旋是所有磁现象的关键,例如在铁磁铁中,原子自旋采用同样的方式排列。而在反铁磁铁中,原子的自旋方向会上下改变,20世纪80年代发现的高温超导材料就是如此。

科学家们表示,可能存在着更复杂、更令人感兴趣的磁排列,它可能会产生量子自旋液体。比如有一个等边三角形的反磁铁,每个角上都有一个原子自旋,其中一个自旋向上,一个自旋向下,那么第三个原子采用什么方向自旋呢?它不可能同时与前两个方向相反,因此物理学家用“挫败”来描述所有需求无法得到满足的情况。这种“挫败”现象随处可见,一个“挫败”自旋系统的妥协是同时存在很多自旋方向,量子系统允许出现这种叠加状态。

在新实验中,科学家们研究了当“挫败”现象出现于一种具有六边形晶胞网格的物质中时所发生的情况。物质内的原子通过各自的自旋相互作用,距离最近的原子之间交互作用的强度用J1表示;次近的原子之间的作用力用J2表示。科学家们让六边形晶格中的原子相互作用,观察并计算了可能会出现的状态。

科学家们发现,就像温度变化会使水以不同形态存在一样,自旋之间交互作用的强度也会发生变化,形成“万花筒”似的多样状态。其中一种状态被证明为无序的量子自旋液体,当J2为J1值的21%到36%之间时,“挫败”诱导自旋进入无序状态,整个样本同时存在着数百万种量子状态。

参与研究的科学家加里塔斯基表示,很难想象一个微小的二维物质能同时以如此多状态存在,人们应把自旋看成像粒子一样X运转的实体,即自旋振子,会结合在一起,就像水分子结合成液态水一样,因此得名量子自旋液体。而且,其与金属内部发生的情况类似,在金属内部,大多数原子的外层电子会离开其“宿主”原子,在金属内漂移,好像它们组成了液体(费密液体)。这些现象也许能支持某些奇异的超导性或将一些像粒子一样拥有电荷的实体组织起来。

最近,科学家又在量子自旋液体中发现隐藏秩序。这种没有传统磁力的隐藏的磁性“量子秩序”是科学家在研究一条100个原子场的陶瓷原子链时发现的,科学家们对一种陶瓷材料进行研究,这种材料是一个个以镍为中心的氧八面体首尾相连的链式结构。这种链并不是普通的磁子,而是奇异的量子自旋液体,其中的电子自旋即使在很低的温度下其方向也是随机的。通过使用中子来对这些磁性激子成像并测量其传播的距离,科学家们发现尽管经典上无序,但磁性激子都能够在低温下穿过整个原子链。他们还发现可以通过引入缺陷或者加热来限制这种量子相干或者使之完全消失。

而来自瑞典科学家通过实验证实,磁纳米接触可使自旋波“繁殖”。观察结果与十年前科学家提出的“磁性纳米接触会让纳米尺度的自旋波繁殖”这一理论相吻合。在研究中,科学家们制造出直径约为40纳米的纳米接触,自旋波被造于3纳米厚的一薄层镍铁合金内,模拟显示,磁性纳米接触会让自旋波像水波一样扩展。

近藤效应是电子与其周围电子发生非常复杂的纠缠引起的,目前的研究方法只能测量到近藤状态,无法获知电子是如何与其周围环境发生纠缠的。据美国科学促进会网站报道,2013年6月发表在《自然》文章揭示了近藤效应状态下单个电子是如何与其周围环境产生纠缠态的。由来自美国、德国和瑞士科学家组成的研究团队利用激光散射技术探测到近藤状态下的电子活动。根据激光散射过的电子不同状态,他们推测出电子能通过吸收不同颜色的激光来改变温度,反射回来的激光能够携带量子纠缠态的特征,从而可以观察到电子与其周围环境之间的关系。科研人员利用纳米结构的设备将电子捕捉在小凹槽里,从而将单个电子分离出来。但是凹槽中的电子只能保持有限的隔离,最终还是会跟周围的大量电子纠缠在一起。

弗吉尼亚联邦大学的物理学教授施夫·汉纳领导的团队发现了新型“超原子”,种性能稳定的新型“超原子”,是由1个铁原子和8个镁原子集结而成的原子簇,具有令人不可思议的磁性,兼具电性和磁性。科学家发现了一原子簇拥有8个镁原子时,其充满电子的壳层与未填满的壳层几乎完全分离,从而获得非凡的稳定性。当一个原子的最外层被填满并且与未填满的壳层分开时,该原子处于一种稳定的状态,惰性气体的原子就是如此。新的超原子还会优先使朝特定方向自旋的电子遍及整个原子簇这种兼具磁性和导电性的超原子将在分子电子设备领域大展拳脚。

一般两朵云相遇,会互相弥散彼此透过,但美国麻省理工学院物理学家却造出了一种奇怪的超冷气互斥云,即使将其密度降低到只有空气的百万分之一,它们在相遇时也能像两个保龄球一样彼此弹开,这是科学家首次观察到气体之间无法互相透过的现象。此次研究人员在实验室里造出的云是一种冷却到接近绝对零度的锂原子气体,用来代替电子。锂同位素也是一种费米子,用来模拟强相互作用系统模型。研究人员用磁场调整锂原子的能量态,让原子之间产生自然状态的强度相互作用,即每次它们相互遭遇,就会散射开。气体被冷却到五百亿分之一开氏度以消除热能影响,再用磁力将气体分开成两部分,分别标记为“上旋”和“下旋”,然后让两部分气体在激光势阱中相撞。研究人员发现,它们不但不像通常那样互相弥散透过,而是戏剧性地互相推开。气云最终还是会弥散融合,但要花很长时间,有几次甚至用了一秒甚至更长,这对微观事件来说是极其漫长的。

 

 

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