一個(gè)物理學(xué)難題之微小的改變?nèi)绾斡绊懻麄€(gè)世界

當(dāng)波士頓或斯德哥爾摩的氣溫徘徊在0℃上下時(shí)，我們得到的天氣預(yù)報(bào)往往是不確定的：可能下雨或下雪，具體是什么則完全取決于實(shí)際氣溫是在零上還是零下。其間的差別是非常大的——前者不過是一場(chǎng)陣雨，而后者卻可能導(dǎo)致城市交通癱瘓，因?yàn)檠┱紦?jù)的體積大約是雨的10倍，并且不像雨水那樣容易流走。

對(duì)我們這些常年在寒冷氣候中生活的人來說，這種不確定性可謂司空見慣。然而仔細(xì)想想，這種不確定性其實(shí)是很奇怪的：如果不是親身體驗(yàn)過，我們大概會(huì)以為條件的細(xì)微改變只會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生微弱的影響。

當(dāng)溫度越過某個(gè)臨界值時(shí)水突然會(huì)變成冰，這個(gè)現(xiàn)象被物理學(xué)家稱為相變。相變有很多種，結(jié)冰只是一個(gè)我們熟悉的典型例子。在20世紀(jì)，相變一直是基礎(chǔ)物理學(xué)研究中一個(gè)讓人頭疼的難題，在這類研究的引導(dǎo)下，物理學(xué)家對(duì)許多領(lǐng)域有了更深刻的全新認(rèn)識(shí)——小到夸克的性質(zhì)、大到宇宙的演化。

讓我們考慮一個(gè)最簡(jiǎn)單的相變例子，它與磁鐵相關(guān)。我們熟悉的磁鐵，無論是條形還是馬蹄形，其磁性都是源于內(nèi)部電子的排列方式。磁鐵中的每個(gè)電子都在做自旋運(yùn)動(dòng)，它們就像是微型的地球，電子磁場(chǎng)南北極之間的連線就是它的旋轉(zhuǎn)軸。當(dāng)所有電子的旋轉(zhuǎn)軸都沿著同一個(gè)方向排列時(shí)，它們的磁場(chǎng)就會(huì)相互疊加而增強(qiáng)，讓整個(gè)磁鐵表現(xiàn)出磁性。

但如果你加熱磁鐵，那么電子的自旋軸就會(huì)不斷搖動(dòng)，使它們難以形成有序的排列，當(dāng)溫度足夠高的時(shí)候，磁鐵的磁性就消失了。這種磁性的改變，和冰與水之間的轉(zhuǎn)變一樣，是在某個(gè)溫度下突然發(fā)生的。例如，磁鐵礦的磁性大約在570℃時(shí)突然消失。磁性消失的臨界溫度被稱為居里溫度（Curie temperature，以居里夫人的丈夫、杰出物理學(xué)家、1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主皮埃爾·居里的名字命名）。

我們?nèi)绾卫斫膺@種突然的改變呢？簡(jiǎn)單地說，當(dāng)我們加熱磁鐵時(shí)，電子自旋軸的擺動(dòng)越來越劇烈，從而越來越難以相互鎖定并保持整齊排列。當(dāng)一個(gè)電子的自旋運(yùn)動(dòng)脫離束縛獲得自由時(shí)，它就不再幫助鄰近的電子自旋保持排列整齊，使得下一個(gè)電子的自旋更容易掙脫束縛，這樣一個(gè)接一個(gè)，發(fā)生連鎖反應(yīng)。也就是說，一旦能量達(dá)到了某個(gè)臨界值，自旋的解放就不可避免了。

今晨波士頓的氣溫降到了零度以下。看著陽光照在雪上反射出的耀眼光芒，我任由腦海里關(guān)于相變的思緒肆意延伸，最后停留在著名的鴨兔錯(cuò)覺上：面對(duì)這個(gè)可鴨可兔的圖形，我們的大腦神經(jīng)元必須達(dá)成一致意見，來決定我們看到的到底是鴨子還是兔子——雖然這兩種選擇都是有道理的。當(dāng)大腦的選擇改變時(shí)，我們看到的圖像也就會(huì)突然變化。

通過類比和比喻，我們可以進(jìn)一步地拓展相變的概念。例如，有時(shí)候我們會(huì)看到少數(shù)人對(duì)傳統(tǒng)認(rèn)知發(fā)起的挑戰(zhàn)會(huì)引發(fā)整體輿論的突然變化。

在20世紀(jì)，物理學(xué)家已經(jīng)掌握了簡(jiǎn)單材料中因溫度變化所導(dǎo)致的相變。而當(dāng)今的物理學(xué)前沿則是研究在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的物理系統(tǒng)中，因?yàn)轵?qū)動(dòng)力的微小變化導(dǎo)致系統(tǒng)性質(zhì)發(fā)生的巨大改變。例如，隨著氣溫升高，地球上的冰逐漸融化，從而導(dǎo)致地表反射的太陽熱量減少，這反過來又進(jìn)一步促使氣溫升高……這樣下去，也許會(huì)導(dǎo)致一場(chǎng)劇烈的災(zāi)難性改變。所以，我很珍愛冬天的雪，慶幸還能夠享受有雪的冬天。

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