同步:秩序如何从混沌中涌现

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同步秩序如何从混沌中涌现

同步:秩序如何从混沌中涌现 电子书 第1张

本书作者:斯蒂芬·斯托加茨

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1986年,科学家发现了高温超导电性,在学界引起了震动。首先有科学家宣布陶瓷材料在创纪录的30K以上的温度时变成超导体。仅仅两年后,世界纪录达到了令人难以置信的125K。截至本书截稿时,有科学家提出,高温超导电性的物理基础可能是由磁性的相互作用影响的,而不是先前认为的晶格振动。需要注意的是,虽然巴丁-库珀-施里弗理论在低温下表现得很完美,但它并不是故事的全部。

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同步:秩序如何从混沌中涌现 电子书 第2张

在20世纪60年代初,还没有人梦想过这些事情。新的巴丁-库珀-施里弗理论带来的成果刚刚在世界各地的实验室和大学中展现。对这些结果进行深入研究的是剑桥大学的一位年轻的研究生。他是个身材矮小,说话细声细语的威尔士人,戴着黑框眼镜。他即将发现量子同步的一些惊人的启示,最终使超导性在意想不到的领域发挥了作用:从医学成像到世界上运行速度最快的超级计算机。与此同时,他的职业生涯也发生了意想不到的转变。

1962年,22岁的布赖恩-约瑟夫森在剑桥大学读书,是一位研究生。他的专业是实验物理学,但他发现自己被理论物理迷住了,尤其是在菲利普·安德森(PhilipAnderson)的课程上学到的东西。安德森是超导和固体物理学专家,在贝尔实验室工作,度假期间正在访问剑桥。没多久他便注意到了约瑟夫森。在授课中遇上约瑟夫森“是非常让人紧张的体验,我可以向你保证”。安德森说:“因为一切都必须正确,否则他就会在课后出现在我面前,解释给我听。”一天,约瑟夫森向他的老师展示了自己做的一些计算。约瑟夫森曾想过如果他把两个超导体用非常薄(只有1~2纳米厚)的氧化层连接起来,会发生什么现象。他脑海中的画面看起来像一个三明治:面包片是超导体,切得非常薄的肉片是氧化层。

约瑟夫森无法完全相信自己的方程组。方程组表明,电流流过氧化层时没有遇到电阻。根据经典物理学理论,这无疑是不可能的。因为氧化物是绝缘体,它可以完全阻挡电子的流动,就像让电子穿过一堵砖墙。然而,约瑟夫森的计算说明,他可以把绝缘体变成超导体,把它从一个极端转变到另一个极端。在这种情况下,电子会感觉它们行进的道路畅通无阻,并没有砖墙的阻碍。这里的电阻为零,而不是无穷大。

约瑟夫森的预测基于一种量子效应,它被称为量子隧穿。形象地来说,就如困在井里的粒子无须爬出来便可逃脱。仿佛变魔术一般,它们可以穿过墙壁,甚至不留一个孔洞。

与很多量子理论类似,隧穿违背了我们关于世界运行规律的常识。但当我们回想起量子同样具有波动性的时候,矛盾看上去稍微缓和了一些。就像喧嚣聚会中的声波可以穿过看似坚不可摧的约瑟夫森的氧化层,隧穿不仅是一种假设的可能,它是真实发生的,有实验已经证实了它。事实上,就在若干年前,在伊瓦尔·贾埃弗(lvar Giaever)还是纽约州特洛伊的伦斯勒理工大学的一名研究生,他证明了单个电子可以通过绝缘屏障从一个超导体穿越到另一个,但是这需要电压在幕后帮忙。现在,约瑟夫森的计算显示了一些更奇怪的东西:没有电压的推动,隧穿仍然可以发生。

为了直观地感受这种矛盾现象,我们可以把电流类比为水流。就像水往低处流一样,电流会从高电压流向低电压。现在我们再来想象两个桶,每个桶底部都有一个小洞,通过一个细软管连接,水可以在它们之间流动(类似于由薄氧化层连接的两个超导体)。如果你在每个桶中注入等量的水,一个挂在楼梯间的顶部,另一个放在底部,那么水就会从高处的桶流向低处的桶。但如果两个桶挂在同一高度,并保持稳定,那么水不会自发在两个桶之间流动。水不会平级流动。这正是约瑟夫森的方程所预示的:两个相同电压的超导体之间没有电流。

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同步:秩序如何从混沌中涌现 电子书 第3张

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