悼念菲利普安德森,斯人已逝,凝聚態物理不朽

2020-12-22 劉老師聊科學

2020年3月29日,當代理論物理學家、凝聚態理論奠基人、諾貝爾物理學獎得主菲利普安德森(Philip W. Anderson),在美國普林斯頓去世,享年96歲。

1923年12月13日,安德森出生於美國印第安納州的一個知識分子家庭,父親亨利·安德森(Henry Anderson)是植物學教授,母親是埃爾西·安德森(Elsie Anderson),還有一些親戚從事物理學研究。安德森回憶童年時曾說,他是在「貧窮但安寧的中西部學者氛圍」下長大的,家庭啟蒙了他對科學和自然的熱愛。

安德森16歲高中畢業,帶著獎學金讀哈佛大學,在19歲本科畢業,之後正逢二戰,他中斷學業,前往海軍研究實驗室,進行天線製造。3年後,他又回到哈佛大學攻讀博,1949年獲得博士學位(當時才26歲),他的導師是約翰·范·弗萊克(John Hasbrouck van Vleck)。在1977年,他們一起獲得了諾貝爾物理獎。

瑞典國王(右)為安德森(左)頒諾貝爾獎

博士畢業後,安德森在貝爾實驗室工作了35年,在那裡,他獲得了第一個重大成就——解釋了反鐵磁性。在普通磁鐵中,磁矩的方向是一致的;在反鐵磁體中,它們的方向相反。之前的理論無法解釋這種不尋常的磁態,按照量子漲落理論,磁性應該會被抹去。但安德森指出,在兩個或更多的維度中,量子漲落實際上會相互抵消,因此反鐵磁序會被保留下來。

在20世紀60年代,Anderson對磁性和無序系統的電子結構的研究,為他贏得了諾貝爾物理學獎。一般對金屬和半導體而言,具有一定動量的電子可以自由地穿過晶格,而其他的電子則不能。我們可以將晶格描述為一種周期性的電勢。安德森發現並解釋了,如果這種電勢失去了周期性,那麼電子無法通過這種「無序」的晶格,會被特定的原子捕獲。如果這種無序足夠強,電子就不能形成電流。這被稱為電子局域化(Anderson localization),以他的名字命名。這個理論影響了計算機中電子開關和存儲設備的發展。

1977年安德森聽聞自己獲獎消息

20世紀60年代對安德森來說是一個特別多產的時期。在1962年,他發表了一篇關於光子如何獲得質量的論文。彼得·希格斯(Peter Higgs)在自己的論文中引用了他的理論,提出了希格斯機制(解釋了質量怎麼形成),並預言了基本粒子中唯一一個標量粒子——希格斯玻色子(常被稱為「上帝粒子」),也因此獲得諾貝爾獎。除此之外,安德森還研究了超導理論,並探索了氦-3的性質。

1984年,安德森從貝爾實驗室退休,他開始在普林斯頓大學全職工作,繼續他在自旋玻璃(嵌入隨機間隔磁性元素的非磁性金屬)和高溫超導體上的研究。他的高溫超導「共振價鍵」理論引發了很多爭論,並導致了「自旋液體」領域的出現,這是拓撲物質蓬勃發展的領域的根源。

除了物理學,安德森也因對科學哲學的貢獻而聞名。1972年,他在《科學》(Science)上發表了著名文章《更多會不同》(More is Different),裡面闡述了對還原論(reductionist)的質疑。他認為,我們在一個層面上觀察到的一切,在一個更原始的層面上,都遵循著法則,但這些並不一定全部能從那個更原始層面上推導出來。即使知道了最基本粒子的本質,也不一定能推導出所有一切。粒子物理不能替代凝聚態物理。

安德森(左)和霍爾丹一起慶祝霍爾丹獲獎

在安德森漫長的職業生涯中,他孜孜不倦地倡導凝聚態物質物理學,並為許多成功的凝聚劑物理學家提供過建議,其中包括2016年諾貝爾物理學獎得主F·鄧肯·霍爾丹(F. Duncan Haldane),是安德森以前的研究生,他還激勵了無數其他人,包括1973年諾貝爾獎得主布賴恩·約瑟夫森(Brian Josephson),約瑟夫森曾上過他的課。許多安德森的學生和博士後在離開他的團隊後,遇到困難時還會專門來尋求他的建議。

很多同事對安德森的印象是,他學識淵博,遠遠超出了物理學的範疇,對科學有著廣泛的興趣,擁有巨大的創造力和非凡的能力。一直到90多歲,他還常常去學校跟人討論,一直在研究物理學中的重要問題。

安德森教授籤名照

那生活中的大師是什麼樣的呢?

安德森與妻子喬伊斯·戈斯韋特(Joyce Gothwaite)在1947年結婚,有一個女兒蘇珊(Susan)。他們一直很低調,過著非常幸福平靜的生活。業餘時間,安德森喜歡徒步和園藝,並且是圍棋的一段高手,他還被日本圍棋協會授予終身成就獎。

也許就是這種平和安靜,給了他更多時間去思考,讓他成為凝聚態物理的教父級大師。

讓我們再一次為大師菲利普安德森致敬,致敬他對磁性、超導性和物質結構的研究,致敬他對凝聚態物理發展做出的貢獻。斯人已逝,科學不朽。

本文圖片來自美聯社。

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