科学探索|2021诺贝尔物理学奖为什么颁给他们？人类真的正让地球变暖( 五 ) 2021诺贝尔物理学奖为什么颁给

文章图片

针对复杂无序系统的数学每次将许多相同的圆盘挤在一起时，尽管它们以完全相同的方式挤压，但还是会形成新的不规则图案。是什么决定了这样的结果？Giorgio Parisi发现了这些圆盘所代表的复杂无序系统中的隐藏结构，并找到了一种数学描述方法。
理解物理系统的复杂性
这些压缩球体是普通玻璃和颗粒状材料（如沙子或砾石）的简单模型。然而，Parisi的原始模型的对象是另一个截然不同的系统——自旋玻璃。这是一种特殊的磁性金属合金亚稳定状态，其中某种金属原子，比如铁原子，会被随机混合到铜原子的网格中。即使只有几个铁原子，它们也会以一种令人费解的方式彻底改变材料的磁性。每个铁原子的行为——或者称为“自旋”——表现得就像一个小磁铁，受其附近其他铁原子的影响。在普通的磁体中，所有的自旋都指向同一方向，但在自旋玻璃中，情况就不一样了：一些自旋对会指向相同的方向，另一些则指向相反的方向——那么它们是如何找到最佳方向的呢？
Parisi在关于旋转玻璃的著作的序言中写道，研究旋转玻璃就像观看莎士比亚戏剧中的人类悲剧。如果你想同时和两个人交朋友，但他们互相讨厌对方，结果就可能令人沮丧。在经典悲剧中，感情强烈的朋友和敌人在舞台上相遇，情况就更是如此。那么，怎样才能把房间里的紧张气氛降到最低？
自旋玻璃及其奇异的性质为复杂系统提供了参考模型。20世纪70年代，许多物理学家，包括几位诺贝尔奖得主，都在寻找某种方法来描述这种神秘而令人沮丧的旋转玻璃。他们使用的方法之一是“副本方法”，是一种研究无序态体系时所用的数学技巧，可以在同一时间内处理系统的许多副本。然而，从物理学的角度来说，最初的计算结果并不可行。
1979年，Parisi取得了决定性的突破，他展示了如何巧妙地利用副本方法来解决自旋玻璃问题。他在这些副本中发现了一个隐藏的结构，并找到了一种描述它的数学方法。在很多年之后，Parisi的解才在数学上被证明是正确的。此后，他的方法被用于许多无序系统，成为复杂系统理论的基石。

文章图片

受挫当一个自旋向上而另一个自旋向下时，第三个自旋则不能同时满足前两个，因为相邻的自旋要指向不同的方向。自旋如何找到最佳方向？Giorgio Parisi是回答关于许多不同材料和现象的这些问题的大师。

文章图片

自旋玻璃自旋玻璃这是一种特殊的磁性金属合金亚稳定状态，其中某种金属原子，比如铁原子，会被随机混合到铜原子的网格中。每个铁原子的行为——或者称为“自旋”——表现得就像一个小磁铁，受其附近其他铁原子的影响。然而，在自旋玻璃中，它们的自旋会受挫，很难选择指向哪个方向。通过对自旋玻璃的研究，Parisi发展了一种关于无序和随机现象的理论，并涵盖了其他许多复杂系统。图中红点为铁原子，绿点为铜原子。
不同的受挫结果
自旋玻璃和颗粒物都是受挫系统的典型例子。在这些系统中，各组成部分的排列方式必须是各种反作用力之间相互制衡的产物。问题在于，这些系统会表现出什么行为？会产生什么结果？针对多种材料和现象，Parisi都能很好地回答这两个问题。他对自旋玻璃结构的理解非常深刻，不仅影响了物理学，还对数学、生物学、神经科学和机器学习等领域造成了影响，因为这些领域都包含与受挫现象直接相关的问题。