原文標(biāo)題：《萬(wàn)圣節(jié)還在 cos 傳統(tǒng)鬼怪？來(lái)看看物理版的“妖魔鬼怪”！》
又是一年一度的萬(wàn)圣節(jié)，
各路妖魔鬼怪也是蠢蠢欲動(dòng)。
我們搞物理的，
當(dāng)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(duì)的兩位成員。
它們一個(gè)可以通曉過(guò)去未來(lái)，一個(gè)可以控制單個(gè)分子，它們作為著名物理天團(tuán)“四大神獸”的成員，可謂家喻戶(hù)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(guó)數(shù)學(xué)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(dòng)量信息，在經(jīng)典力學(xué)中，它可以通過(guò)牛頓運(yùn)動(dòng)方程來(lái)計(jì)算得到宇宙中任意粒子在任意時(shí)間的信息，即通曉了宇宙的過(guò)去和未來(lái)。
麥克斯韋妖同樣是一種假想生物，由英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋提出。它的特別之處在于可以控制單個(gè)分子，將一個(gè)絕熱容器里的分子按運(yùn)動(dòng)速度不同分開(kāi)，從而減小整個(gè)體系的熵。麥克斯韋妖的能力來(lái)自于自身的“妖力”，在控制分子的過(guò)程中不消耗能量，因此整個(gè)體系便實(shí)現(xiàn)了自發(fā)的熵減，這是違背熱力學(xué)第二定律的。
當(dāng)然，現(xiàn)在的物理學(xué)家們已經(jīng)為兩只小妖分別準(zhǔn)備好了籠子“關(guān)了起來(lái)”，其中關(guān)住拉普拉斯妖的籠子叫海森堡不確定性原理，關(guān)住麥克斯韋妖的籠子叫信息熵理論。受限于篇幅，此處不做展開(kāi)，有興趣的小伙伴們可以自行了解。
魔/ MAGIC
接下來(lái)要介紹的，是“魔”族代表，它在最近幾年大火，是材料領(lǐng)域的大熱門(mén)，相關(guān)文章多次登上 Nature、Science 等頂級(jí)期刊，一個(gè)簡(jiǎn)單的偏轉(zhuǎn)推開(kāi)新世界的大門(mén)，它就是魔角石墨烯（magic-angle multilayer graphene）！
在了解魔角石墨烯之前，我們首先從二維材料說(shuō)起。
我們可以分別用點(diǎn)、線、面、體來(lái)代表零維、一維、二維、三維，那二維材料就是只有一個(gè)面，厚度為零的材料。當(dāng)然，實(shí)際上的材料不可能是零厚度，通常一個(gè)材料只有幾個(gè)原子層厚（幾個(gè)納米的量級(jí)）的時(shí)候，就可以稱(chēng)為二維材料。石墨烯就是一種典型的二維材料。
二維材料有什么特點(diǎn)呢？它們處在同一層的原子之間通常是共價(jià)鍵結(jié)合，而層與層之間只靠微弱的范德瓦爾斯力結(jié)合。所以只需要稍稍提供能量，便可以破壞層與層之間的結(jié)合，將其剝離成幾個(gè)少層材料。最早開(kāi)始研究石墨烯的英國(guó)曼徹斯特大學(xué)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(lái)一層或者幾層，但是要把一張分開(kāi)還是要使上一些力的。
通常情況下，上下層原子之間的位置關(guān)系固定，層與層之間堆疊時(shí)的角度也是固定的。但是，當(dāng)我們得到了單層石墨烯之后，便可以人為進(jìn)行堆疊得到雙層和多層石墨烯。
在這個(gè)“堆大餅”的過(guò)程中，如果我們把它轉(zhuǎn)一下，讓上下兩層之間有一個(gè)角度，再給加個(gè)低溫，好家伙，堆出來(lái)的多層石墨烯超導(dǎo)了，而且還有希望成為高溫超導(dǎo)體！不止是超導(dǎo)，關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)、量子反?；魻枒B(tài)等等諸多新奇的物態(tài)都出來(lái)了！
一個(gè)簡(jiǎn)單的扭曲角度，如同魔法一般，將二維材料領(lǐng)域的研究引入到了新的世界，這大概便是“魔角”由來(lái)。
鬼/ GHOST
在量子場(chǎng)論領(lǐng)域中，有一系列的態(tài)被賦予了“鬼”之名，鬼（ghost）、鬼場(chǎng)（ghost field）、幽靈粒子（ghost particle）以及規(guī)范幽靈（gauge ghost），雖然它們有著“粒子”或者“場(chǎng)”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(jì)算的便捷而產(chǎn)生。
前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家路德維希?法捷耶夫（Ludwig D. Faddeev）用這樣一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明“ghost”的意義：在電動(dòng)力學(xué)中，電磁場(chǎng)即光子場(chǎng)有四個(gè)分量，但實(shí)際只有兩種光子偏振，所以這四個(gè)分量中有兩個(gè)是非物理的，這時(shí)候便可以通過(guò)引入“the ghosts”來(lái)抵消非物理項(xiàng)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(shí)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(gè)“鬼”能讓給定的理論自洽，那這個(gè)“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(rèn)一個(gè)不需要的非虛的態(tài)，例如 Pauli–Villars ghosts 引入了具有負(fù)動(dòng)能的粒子，顯然是“壞”的。
在眾多“鬼”中，比較經(jīng)典的一個(gè)便是鬼場(chǎng)，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(lái)源于上面舉例的那位理論物理學(xué)家。鬼場(chǎng)的引入便解決了量子場(chǎng)論路徑積分時(shí)的一致性問(wèn)題，同時(shí)它也是虛擬的，并不是實(shí)際存在的場(chǎng)。
怪/ STRANGE
在“妖”、“魔”、“鬼”之后，終于輪到了“怪”。
如果范圍不局限于物理，在各種編程題目里有“怪?jǐn)?shù)”一說(shuō)。而帶“怪”的物理名詞，小編想了很久，好像還真沒(méi)有。為此，小編還嘗試了用“怪場(chǎng)”、“怪力”這種可能出現(xiàn)的名詞去搜索，直到用“怪子”搜索的時(shí)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(jīng)過(guò)一番無(wú)用搜索之后，小編也是放棄了直接尋找的想法。
讓我們就換個(gè)思路。
其實(shí)很多名詞都有多種翻譯，比如“strange particle”，國(guó)內(nèi)普遍翻譯是奇異粒子，但翻譯成怪粒子也未嘗不可，順著這個(gè)還有量子數(shù)中的奇異數(shù)“strangeness”，完全可以翻譯成怪?jǐn)?shù)對(duì)吧。再比如魔鬼粒子“The devil particles”，也可以叫怪子。這么一看，物理學(xué)中的“怪”還是很多的。
（物理名詞的翻譯問(wèn)題有專(zhuān)門(mén)的規(guī)則，以上純屬玩笑，請(qǐng)勿當(dāng)真。）
讓我們?cè)侔阉悸反蜷_(kāi)，鬼怪豈是如此不便之物？
漫長(zhǎng)物理史上，最不缺的就是那些怪異的、出人意料的發(fā)現(xiàn)。
泊松為駁倒光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)，親自計(jì)算，發(fā)現(xiàn)光源會(huì)在一個(gè)擋板后面形成一個(gè)亮斑，這顯然是反常理的；但是人們通過(guò)實(shí)驗(yàn)，卻發(fā)現(xiàn)還真的會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)亮斑！這個(gè)用來(lái)駁倒波動(dòng)學(xué)說(shuō)的論據(jù)，卻成為了證實(shí)波動(dòng)學(xué)說(shuō)的有力證據(jù)，從此“泊松亮斑”永遠(yuǎn)在教科書(shū)上留名。
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(fā)現(xiàn)了原子核的存在，推翻棗糕模型而建立了經(jīng)典的原子的核式結(jié)構(gòu)模型。
普朗克為解釋黑體輻射，破天荒地假設(shè)能量以不連續(xù)性的方式吸收和發(fā)射，盡管其本人也難以相信這一點(diǎn)，甚至花了數(shù)年時(shí)間試圖否定這個(gè)想法。然而就是這一發(fā)現(xiàn)，打開(kāi)了量子世界的大門(mén)。
在普朗克之后，量子力學(xué)蓬勃發(fā)展，這位更是物理中最大的“怪”。能量是不連續(xù)的，怪；粒子位置和動(dòng)量不能同時(shí)確定，怪；物質(zhì)既是波又是粒子，怪。這樣一個(gè)從頭怪到尾的理論，居然是現(xiàn)代物理學(xué)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(chǎn)品”，這難道不也是一種“怪”嗎？
物理，其實(shí)本身就是一門(mén)發(fā)現(xiàn)“怪”與研究“怪”的學(xué)科。經(jīng)過(guò)研究與解釋?zhuān)f的“怪 " 逐漸被人熟知，不再是“怪”；新的“怪”得到發(fā)現(xiàn)，吸引人們?nèi)パ芯?。如此重?fù)，不斷探索，不斷求真。
除了物理，還有很多領(lǐng)域中有“妖魔鬼怪”的存在，小伙伴們知道哪些呢？
參考資料：
1. https://encyclopedia.thefreedictionary.com/Ghost+(physics)
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：樂(lè)子超人
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