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凝態物理:從半導體、磁浮列車到量子電腦,看穿隱藏在現代科技背後的混沌、秩序與魔法

凝態物理:從半導體、磁浮列車到量子電腦,看穿隱藏在現代科技背後的混沌、秩序與魔法

Magick of Matter: Crystals, Chaos and the Wizardry of Physics

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內容簡介

你知道嗎?
冰晶形成、LED發光,甚至最近掀起熱潮的半導體運算
都與凝態物理有關!
◎認識凝態物理的第一本書

想像按一下鈕,就能讓一塊水晶發光,又或者敲一下水晶,就能產生火花——這可不是奇幻小說的情節,現實世界裡,這些現象就是常用的LED燈還有火鍋店裡的打火槍。要了解這些特性從何而來,首先必須了解什麼是凝態物理。

凝態物理:從平凡物質中迸出的奇妙特性
我們所見的世界由小至原子、電子,甚至夸克等等的粒子所組成,當這些粒子凝聚起來,有時會產生一些從單一粒子角度難以解釋的現象。凝態物理,就是聚焦在這樣的微觀與巨觀世界之間,有如魔域的介觀世界,試圖去解釋粒子與環境如何互動,又為何會有這麼多特性產生。

什麼是凝態物理?
凝態物理關心的,包括以下這些現象:

相變:冰晶是怎麼產生的,雪花為什麼會形成我們所知的六角形狀?為什麼磁鐵加熱後磁力會變弱甚至消失?

晶體結構:為什麼按下打火槍的按鈕就會有火花產生?矽在半導體產業為何如此重要?

超導電性:為了讓磁浮列車真正有效率、找到更加有效率的電力傳輸方式,常溫超導體變成了近年科學家不斷追求的聖杯。但為什麼現在超導體的研究方向都轉向陶瓷(金屬與非金屬物質的混和物)而不是傳統金屬導體?

量子纏結:量子電腦號稱可以做到更高效的運算,為什麼至今發展卻難以規模化?

在凝態物理的世界,磁性會突然發生,液體會從容器中出走,水晶會發光……本書由英國物理學家帶路,從凝態物理的基礎開始,以各式精巧的比喻與故事說明超導體、雷射、自旋冰等等現象的產生。最後更介紹凝態物理在未來量子運算、超導體中帶來的展望。

走讀書中一個個有趣的科學故事,很佩服作者的用心與魅力,相信任何對科學感興趣的讀者,都能在這本書裡找到一個迷人的魔幻世界。
——林秀豪/清華大學物理系特聘教授

一本從純真的好奇出發,再佐以狂野的想像的書。在凝態物理這課題上,可以和諾貝爾獎得主 Giorgio Parisi 的近作《無序之美》合讀,將視野更擴大到 Parisi 的個人感想(雖然已極豐美)之外,饒富趣味。
——梁國淦/台灣大學物理系專案助理教授

專業推薦
林秀豪 清華大學物理系特聘教授
泛科學 
梁國淦 台灣大學物理系專案助理教授
陳義裕 台灣大學物理系特聘教授
 

作者介紹

作者簡介

菲利克斯‧福立克Felix Flicker
布里斯托大學助理教授,研究關心量子物理中的幾何與拓樸。有多項成果在《科學》、《自然》等期刊發表。亦曾在皇家研究院演講研究成果。
修習中國功夫 20 年(包括七星螳螂拳),有 15 年功夫教學經驗。他是前全英國中式摔跤冠軍,同時正在學習日式書道和航海。


譯者簡介

秦紀維
高雄岡山人,高雄中學,台灣大學醫學系畢。受麥克克萊頓影響甚鉅。臉書專頁《科宅導讀》創始人,以有趣的方式推廣數學、物理、化學到生醫等等科學逸聞。

 

目錄

第一章 泥土物理
介觀世界——巨觀與微觀之間的神奇地帶。

第二章 四元素
多少粒沙才算是沙堆?用超臨界水泡茶會發生什麼事?

第三章 晶體的魔力
發電的石英與方解石隱形斗篷,都是因為對稱的晶體。

第四章 思索火之驅動力
介觀世界熱力學——如何殺死馬克士威的惡魔?

第五章 在熟悉的原野之外
量子物理並沒有讓世界變得更魔幻,世界本來就魔幻。量子物理只是它的最簡潔描述。

第六章 離合咒
當半導體的極限將近,磁力運算或許是新方向,但過程就像把人鋸成兩半的魔術。

第七章 庇護咒
凝態是量子計算困難的來源:量子會互相影響!

第八章 追尋賢者之石
永不衰減的電流與磁浮夢想,來自目前理論難以解釋的超導現象。

第九章 無盡展望
量子電腦能夠模擬整個宇宙嗎?
 
 

《凝態物理》── 魔法與物理的交織
林秀豪/清華大學物理學系特聘教授
  
  喜歡科普的讀者,對於天文、宇宙學、粒子物理應該不陌生,畢竟滿空星斗燦爛耀眼,黑洞奧妙迷人,而粒子動物園內的珍禽異獸更是令人眼花撩亂。但說到物理最大的次領域凝態物理,多數人可能就抓不到頭緒了。
  凝態物理,聽起來像是門冷冰冰的科學,但作者慧眼獨具,像魔法般將之轉化,變成了一場又一場神秘又奇幻的冒險。整本書以黑暗洞穴中的晶石照明開場,揭示這個「晶石」就是日常生活的LED,讓人恍然大悟,現代科技在過去就如不可思議的神奇魔法。跟隨著巫師法瑞安的探險,透過自然界的物質與現象,逐步發覺隱藏其後的規律,一步步揭開物質的神秘面紗。在這樣的視角下,物理學家成為了現代的巫師,讓讀者仿佛身處在充滿魔法的奇幻世界中。這樣的寫作手法讓科學家服氣,也讓讀者輕鬆了解日常物理現象背後的原理,生動有趣又富有深刻的啟發性。
  書中最引人深思的核心概念,就在於「整體要比各個部分的總和,來得更為深奧。」也就是說,即便徹底了解每一部分,也沒辦法完整描述整體的物理特性。格物致知遇上了凝態物理,似乎就不太管用了。
  物理本來就帶有強烈的化約主義。舉例來說,日常生活可以接觸到五花八門的物質,那物理學家會問,這些物質是否可以化約成更簡單的成分呢?答案是可以的:所有的物質都是原子組成的。我們可以得寸進尺地問,那所有的原子是否可以化約成更簡單的成分呢?居然也行:所有原子都是由核子(質子與中子的統稱)組成原子核,加上核外活蹦亂跳的電子雲。這一路問下去,物質由原子組成,原子由核子與電子組成,核子則由三個夸克所組成。這一系列化繁為簡的成功,很容易讓人誤解,只要深入研究基本粒子,就能掌握其組成系統的物理特性。
  但事實並非如此,特別是在魔法處處的凝態物理。書中提到的超導現象,就是電子集體行為所展現出的超凡現象。回溯到1911年,荷蘭物理學家昂尼斯發現,當金屬冷卻到接近絕對零度時,電阻居然憑空消失了,稱為超導現象。這種現象無法透過單一電子來理解,而是電子整體所展現出的特性,而這就是書中所強調的:「整體要比各個部分的總和,來得更為深奧。」
  凝態物理一向不是科普界的寵兒。寫得太日常生活,會被抱怨稀鬆平常,沒有動機讀下去。那加點後空翻炫技,又常常嚇退路人甲乙丙丁,明明這麼常見的事物,為何說得如此艱澀難懂?作者一點都不怕,在書中一一介紹不同的現象:磁性、半導體、超導,加上越來越亂的熵,以及驚嚇指數百分百的自旋電荷分離現象。通過一系列精心編織的故事,將這些抽象概念具體化,讓讀者可以輕鬆地跟隨作者的敘述,理解物質在不同狀態下的集體行為,從固體、液體到氣體,乃至更加神秘的電漿態和超導態。這些現象不僅展示了凝態物理的奇妙,更讓人感受到科學文字背後的詩意。
  我特別喜愛書中穿插的科學史,像作者提到了法拉第這位「巫師」。多數人知道法拉第在19世紀的實驗中展示電磁感應,揭露了電與磁之間的隱藏關係,自此人類文明踏入電器時代。但在閱讀這本有趣的書之前,我並不知道法拉第居然還會「離合咒」,而這正是半導體的關鍵秘術。
  除此之外,作者也毫不避諱地探討了科學中的性別和文化多樣性問題。而諾貝爾物理學獎歷史上,僅有少數幾位女性得主,恰恰彰顯了科學界存在的結構性偏見。作者在探討物理現象的同時,也呼籲科學界應該更加開放、包容,吸納來自不同背景的人才,讓研究前沿更為多元和豐富。
  剛讀這本書的時候,對於作者把嚴謹的科學,綑綁在科幻的魔法上,確實有些納悶。但隨著段落的舒展,這本書帶領讀者走進一個魔法與科學交織的世界,將冷峻的物理知識轉化成一連串驚奇的旅程。我自己從事凝態物理研究數十年,近來也跟志同道合的夥伴建立量子熊頻道,希望走出傳統的教育框架,將科學知識推廣出去。走讀書中一個個有趣的科學故事,很佩服作者的用心與魅力,相信任何對科學感興趣的讀者,都能在這本書裡找到一個迷人的魔幻世界。
 

詳細資料

  • ISBN:9789862627136
  • 叢書系列:貓頭鷹書房
  • 規格:平裝 / 352頁 / 21 x 14.8 x 1.85 cm / 普通級 / 單色印刷
  • 出版地:台灣

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