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——士兵乙的读书笔记

 
 
 

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无所不在的磁-粒子磁矩与固体磁性  

2014-04-27 11:45:02|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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无所不在的磁-粒子磁矩与固体磁性 - 士兵乙 - 海阔天空

物理学是探索大自然的一门最基础的科学,它的发展源于人类对真理的非功利性的追求。20世纪的物理学成就,展示了人类理性思维的伟大。作为20世纪物理学伟大成就之一的量子力学,至今仍然让人匪夷所思、难以置信,但无数实验都已经证实了我们这个世界确实在以一种十分怪异的方式运行。如今,量子力学以及量子场论已经成为了固体物理、凝聚态物理、超导超流等诸多领域的理论基础。这同时也意味着,要想探寻一些基本的物理现象,必须运用一些十分抽象的数学工具去分析,比如物质磁性的起源。

物质磁性是一个十分复杂的问题。一般来说,无机材料的磁性来源于材料中原子的电子壳层未填满而有未抵消的电子磁矩,以及原子和相邻原子的未抵消的电子自旋之间的交换作用。电子壳层、电子自旋本身就是量子力学的概念,所以不理解怪异的量子力学就不可能真正地认识磁性。铁磁性、亚铁磁性、顺磁性、抗磁性、反铁磁性,凡此种种,各具特色,不一而足。理解磁性不太容易,但即使不理解那些根植于物质本性的深刻原理,也不妨碍感受磁性物质带给人的惊奇。前段日子,在淘宝上面看到有店家在卖磁流体玩具:一个透明的玻璃瓶,里面装着的透明液体中间有一团黑色的顺磁流体,附送2块永磁铁。网店展示的视频中,有人操纵两块磁铁,动态改变磁铁与磁流体之间的相对位置,结果那团黑色的液体忽而变得浑身毛刺,沿着磁力线变得像刺猬一般,又忽而像一个初生的叶芽,在两块磁铁之间游走,很有意思。等打折的时候买一个玩玩吧,呵呵。

人类理性思维的力量强大得令人难以置信。通过逻辑分析,人类可以通过极细微的线索了解有关微观世界的信息。中子呈电中性,但却有磁矩,这便说明了中子并不是基本粒子,它仍然有着复杂的内部结构。于是,物理学家和数学家通过建立模型、理论分析和实验检验最终断定了中子的内部结构:由2个下夸克和1个上夸克构成。尽管由于夸克禁闭原理,至今为止也没有人真正直接地探测到夸克的存在,但科学家们却几乎普遍接受了这样的事实,并且据此扩充了标准模型。夸克是一种真正的物理实在,还是一种数学上自洽的形式巧合,这在哲学上或许有质的区别,但利用这种模型至少能够唯象地解释和预言自然现象,在发现新的矛盾之前,也算是够用了吧。回顾物理学的发展史,人类对大自然的认识就是沿着这样的蛛丝马迹一步一步发展前进的,路途颇为艰辛。

对物质磁性的研究,产生了一大批科技成就,极大地改善了人类的生存环境,甚至改变了人类的生活方式:医院里面的fMRI仪利用了核磁共振成像技术、计算机硬盘利用了巨磁电阻效应、平板电脑里面有稀土磁材料、淘宝上有纳米磁流体玩具。然而,难道这些基础研究非要“有用”才值得去研究吗?我倒总是觉得:即使这种对真理的探寻毫无用处,那也依然值得去做,因为它满足了人类的好奇心。人是一种好奇的动物。毫无功利性地探索未知世界、洞察宇宙万物的运行法则,这个过程本身也是一种极大的幸福。

去年有报道称中国科学家发现了量子反常霍尔效应。这可是诺贝尔奖级别的成就,因为自1879年霍尔效应发现以来,整数量子霍尔效应于1985年获得了诺贝尔物理学奖、分数量子霍尔效应于1998年获得了诺贝尔物理学奖,这回恐怕该轮到中国人做贡献了吧。无论是否得奖,取得这种有分量的科技成果至少说明了一点:只要中国摆脱了战争和混乱,地大物博、人口众多,只要持续投入,总会做出成绩的。欣喜于中国的基础物理研究工作还在开展,在中微子探测、凝聚态物理、超导和受控核聚变等很多方面中国已经走在了世界的第一梯队,中国人或许离获得诺贝尔物理学奖的那一天已经不远了。

 

 

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