在十九世紀末時,物理學的發展,包含古典力學、電磁學、光學、熱學等相關基礎理論已趨於完備。因此知名的物理學家邁克生(Albert A. Michelson)在1896年的芝加哥大學瑞爾森物理實驗室年度登記冊中認為,大多數宏偉的基本原則已經被堅實的確立了。甚至他還提及「一位著名的物理學家評論說,物理科學的未來真理將在小數點後第六位中尋找」(An eminent physicist remarked that the future truths of physical science are to be looked for in the sixth place of decimals)[1]。在原文中,邁克生的本意是在提及量測科學的重要性。但是後來文中的「著名的物理學家」常被誤傳是來自於凱爾文男爵(William Thomson, 1st Baron Kelvin)在1900年4月27日以「十九世紀壟罩於光與熱動力學理論的(兩朵烏)雲」(Nineteenth Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light)為題的演講[2]。在一些文獻紀錄上也發現,部分十九世紀末的科學家認為物理學幾乎已經臻於大成,頂多就是在某些小地方做些修正。整個世界也就是這些物理定律的複雜交互作用而已。這種說法就如同網路上有一張迷因圖,裡面提到:「生物學只是一種應用化學」→「化學只是一種應用物理學」→「物理學只是一種應用數學」→「數學只是一種應用哲學」→「哲學只是一種生物現象」一樣。
而在人類日常感官的認知上,十九世紀末的物理學的確也足以應付大部分可以「目視」或是「感受」的現象。所以在進一步能做的事好像也就是把物理量「量準一點」。雖然後來量子力學與相對論的發展,再次大幅改變與擴大了人類的視野與物理學範疇。衍伸出來的新興科技也把人類生活推向了一個古人難以想像的境界。但是古典物理學在一般的生活體驗上還是相當實用的。話雖如此,但是許多基於「物理定律的複雜交互作用」之日常現象,在實務上卻是難以用簡單的物理定律去計算推出。例如巨觀的天氣現象,或是微觀中自旋玻璃行為,都是屬於「複雜系統」。這些系統牽涉到的時間、空間、能量、動量、與熵的變化均為高度複雜甚至要考慮到自我疊代的計算。要求出針對單一事件或是狀況的精確解,即便輔以今日的高速電腦運算也是幾乎無法達成的。1960年,真鍋淑郎(Syukoro Manabe)建立了一個簡單的氣候物理模型,他發現了當CO2氣體濃度增加兩倍時,地球的平均溫度會上升兩度。這樣的預測成
了早期以溫室氣體預測全球暖化效應的先驅。後續哈塞爾曼(Klaus Hasselmann)提出了隨機氣候模型(Stochastic climate model),連結了短期快速變動的氣候型態與長期的氣候變遷,並從中間找出來自於人類活動對於環境留下的指紋。證明了人類活動會影響天氣型態。
微觀的尺度中,也存在著相當複雜的系統。一般而言,原子在固體中是無序排列的話,科學家會將這種狀態稱之為非晶態。例如玻璃就是一種常見的非晶態。也因此在科學上有時會將「玻璃」作為一種形容詞,形容某種物理特性是「無序排列」。一般而
言,在晶體中相鄰且帶有磁矩的原子,彼此間磁矩的方向與軌域、鍵結狀態、與交換積分J 等因素有關,可以是平行排列,也可以是反平行排列。在此先討論反平行排列的例子,如果兩個磁鐵棒靠近時,N極與S極必須彼此相反才能相互吸引。但同時具有三個磁鐵棒存在且排成三角形時,則第三個磁鐵棒會處於尷尬的狀態,也就是它無法同時與其他兩個磁鐵棒達到「同時」的反平行排列。在某些材料中,磁性原子便是排列成三角形的狀況,因此這些磁矩會表現出類似玻璃態的排列方式。另一方面,磁矩的來源與材料的自旋有關(反向且差一個比例常數)。所以這樣的系統便稱之為「自旋玻璃」,也是物理上稱為的受挫系統(frustrated system)。帕里西(Giorgio Parisi)提出了一個理論來描述這類的受挫系統,使得後續的科學家可以找出這樣複雜系統中的隱藏規
律。甚至可以延伸到許多不同的領域中。
本期的諾貝爾專刊邀請了與這三位諾貝爾獎得主相關的作者群來詳細介紹他們的貢獻。以及如何讓我們在這些複雜系統中,找出可以預測的長期(程)效應。此外,皮皮老師的物理心得、阿文開講等專欄依然有許多精彩的內容。希望這些文章能讓大家在新的一年智慧增長,新春愉快!
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