1. 首頁 > 生活雜燴 > 健康養生 > >

地球|詳解2021諾貝爾物理學獎：他們破譯了地球氣候及其他復雜系統的隱秘規律( 五 )


氣體中的粒子可以被視為小球，小球的飛行速度隨著氣體溫度的升高而增加 。當溫度下降或壓力升高時，小球構成的系統首先凝結為液體，接著凝固為固體——通常是晶體，小球在其中以規則的方式排列 。但如果這一變化的發生太過迅速，則毫無疑問地，小球會形成一種不規則的排列，即使液體受到進一步的冷卻或壓縮也不會改變 。如果重復這一迅速的過程，盡管系統經歷的變化完全相同，小球卻會呈現出一種新的排列 。為什么會產生不同的結果？
復雜無序系統中的數學：將大量完全相同的圓盤擠壓到一起，以完全相同的方式重復多次，卻每次都會形成新的不規則圖案 。是什么規律決定了不同的結果？這些圓盤表示的是一個復雜系統，喬治·帕里西在這樣的系統中發現了一種隱藏的結構，并找到了一種描述它們的數學方法 。
理解復雜性
受到壓縮的球體是描述一般玻璃和顆粒狀物質（如沙子或石礫）的簡單模型 。但帕里西最初研究的對象是另一種類型的系統——自旋玻璃（spin glass） 。這是一種特殊的金屬合金，例如向銅原子網格中隨機混入鐵原子所得的合金 。盡管它只包含少量的鐵原子，它卻能以一種強烈而令人費解的方式改變磁性 。每個鐵原子的行為就像一個小磁鐵，或者說自旋，會被附近的其他鐵原子所影響 。在普通磁鐵中，所有的自旋都指向相同的方向；但在自旋玻璃中，自旋狀態會受到阻挫（frustration）：一些自旋對想要指向一個相同的方向，另一些卻相反，那它們是如何最終確定最佳朝向的呢？
在有關自旋玻璃的書的導言中，帕里西寫道，研究自旋玻璃就像觀看莎士比亞戲劇中的人類悲劇 。如果你想同時與兩個人交朋友，但他們彼此憎恨，事情將會是令人受挫的（frustrating） 。在古典悲劇中更是如此，當情感強烈的朋友和敵人在舞臺上相遇，要如何才能將房間里的緊張氣氛降到最低？
自旋玻璃及其奇特性質為復雜系統提供了一個模型 。20 世紀 70 年代，包括幾位諾貝爾獎獲得者在內的許多物理學家都在試圖尋找描述神秘的阻挫自旋玻璃的方法 。他們使用的方法之一是復型技巧（replica trick） 。在這種方法中，系統的多個復制會被同時處理 。但獲得原始的計算結果在物理上是不可行的 。
地球|詳解2021諾貝爾物理學獎：他們破譯了地球氣候及其他復雜系統的隱秘規律
文章圖片

阻挫：當一個自旋向上而另一個自旋向下時，由于相鄰的兩個自旋相反，第三個自旋無法同時滿足兩者 。自旋如何找到最佳的方向？在這些有關不同材料和現象的問題上，喬治·帕里西是一位大師 。
1979 年，帕里西取得了決定性的突破 。展示了巧妙地利用復型技巧來解決自旋玻璃問題的方法 。他在這其中發現了一個隱藏的結構，并找到了描述它的數學方法 。帕里西的解決辦法在數學上的正確性多年后才得到證明 。從那時起，他的方法在許多無序系統中被廣泛使用，成為復雜系統理論的基石 。
地球|詳解2021諾貝爾物理學獎：他們破譯了地球氣候及其他復雜系統的隱秘規律
文章圖片

自旋玻璃：自旋玻璃是一種特殊的金屬合金，例如向銅原子（綠色）網格中隨機混入鐵原子（紅色）所得的合金 。每個鐵原子的行為就像一個小磁鐵——或者說自旋，會被附近的其它鐵原子所影響 。但在自旋玻璃中，自旋狀態會受到阻挫（frustration），難以選擇指向 。通過對自旋玻璃的研究，帕里西發展了一種無序隨機現象理論，也涵蓋了許多其它復雜系統 。
“阻挫”研究的豐富成果
自旋玻璃和顆粒狀材料都是阻挫系統的例子 。在這些系統中，各種成分必須以一種能平衡相反的作用力的方式進行排列 。問題在于它們的行為如何、結果如何 。帕里西是回答這些問題的大師 。他對自旋玻璃結構深刻的基本發現，不僅影響了物理學，還影響了數學、生物學、神經科學和機器學習，這些領域都包含了與阻挫直接相關的問題 。