모든 사람이 물리학 문제에 대해 이야기하는 것 같습니다 :Peter Woit의 책 틀리지 않아도 , Lee Smolin 's 물리학 문제 , 그리고 Sabine Hossenfelder 's 수학에서 잃어 버렸습니다 떠오르고, 그들은 더 넓은 대화를 시작했습니다. 그러나 모든 물리학은 실제로 문제가 있습니까, 아니면 그 중 일부입니까? 실제로이 책을 읽으면 소위 "기본"물리학에 관한 것임을 알 수 있습니다. 물리학의 다른 부분은 잘하고 있으며, 나는 당신에게 하나에 대해 말하고 싶습니다. 이를 "응축 물질 물리학"이라고하며 고체와 액체에 대한 연구입니다. 우리는 응축 물질 물리학의 황금 시대에 살고 있습니다.
그러나 첫째,“기본”물리학은 무엇입니까? 까다로운 용어입니다. 물리학의 진정한 혁명적 발전이 근본적인 것으로 간주 될 수 있습니다. 그러나 실제로 물리학 자들은이 용어를보다 정확하고 좁게 구분한 방식으로 사용합니다. 물리학의 목표 중 하나는 원칙적으로 원칙적으로 물리적 우주에 대해 예측할 수있는 모든 것을 예측하는 데 사용할 수있는 일부 법을 알아내는 것입니다. 이 법률에 대한 검색은 기본 물리학입니다.
작은 글씨는 중요합니다. 첫째 :“원칙적으로.” 원칙적으로 우리는 우리가 알고있는 기본 물리학을 사용하여 물의 끓는점을 엄청난 정확도로 계산할 수 있습니다. 그러나 계산이 어렵 기 때문에 아직 한 번도하지 않았습니다. 둘째 :“예측할 수있는 모든 것”. 우리가 알 수있는 한, 양자 역학은 사물에 내재 된 무작위성이 있다고 말하면서 몇 가지 예측을 불가능하게 만듭니다 , 비현실적인 것이 아니라 확실하게 수행합니다. 그리고이 고유 한 양자 무작위성은 때때로 혼돈이라는 현상에 의해 시간이 지남에 따라 증폭됩니다. 이런 이유로, 우리가 지금 우주에 관한 모든 것을 알고 있더라도, 우리는 지금부터 1 년 동안 날씨를 정확하게 예측할 수 없었습니다. 따라서 기본 물리학이 완벽하게 성공하더라도 물리적 세계에 대한 우리의 모든 질문에 대한 답을 제공하는 것과는 거리가 멀다. 그럼에도 불구하고 우리 가이 질문에 대답 할 수있는 기본 프레임 워크를 제공하기 때문에 중요합니다.
현재 기본 물리학 연구에 대한 연구는 표준 모델을 제공했습니다 (물질과 모든 세력을 설명하려고합니다. 중력) 및 일반 상대성 (중력을 설명). 이 이론들은 엄청나게 성공적이지만, 우리는 그것이 마지막 단어가 아니라는 것을 알고 있습니다. 암흑 물질의 본질이나 암흑 물질이 있다고 생각하는 데 속이는 것과 같은 큰 의문은 여전히 답이 남아 있습니다. 불행히도, 이러한 질문에 대한 진보는 1990 년대 이후 매우 느 렸습니다. 운 좋게도 기본 물리학은 모든 물리학이 아니며 오늘날에는 더 이상 물리학의 가장 흥미로운 부분이 아닙니다. 여전히 많은 새로운 물리학이 이루어지고 있습니다. 그리고 많은 것은 결코 모든 것이 어제 물리학입니다.
전통적으로, 응축 물질 물리학의 임무는 자연에서 발견되는 고체와 액체의 특성을 예측하는 것이었다. 때로는 이것은 매우 어려울 수 있습니다. 예를 들어, 물의 끓는점을 계산합니다. 그러나 이제 우리는 이상한 새로운 재료를 설계하기에 충분한 기본 물리학을 알고 있습니다. 이러한 재료, 실험으로 특성을 조사하여 작동 방식에 대한 이론을 테스트합니다. 더 좋은 점은 이러한 실험은 종종 테이블 상단에서 수행 할 수 있습니다. 여기에는 거대한 입자 가속기가 필요하지 않습니다.
예를 살펴 보겠습니다. 우리는 겸손한“구멍”부터 시작하겠습니다. 결정은 정기적 인 원자 배열이며, 각각은 각각 전자가 공전하는 전자입니다. 이 전자 중 하나가 어떻게 든 녹아웃되면, 우리는 "구멍"을 얻습니다 :전자가 누락 된 원자. 그리고이 구멍은 실제로 입자처럼 움직일 수 있습니다! 인접한 원자의 전자가 구멍을 채우기 위해 움직일 때, 구멍은 인접한 원자로 이동합니다. 머리가 맨손 인 모자를 쓰고있는 사람들의 줄을 상상해보십시오. 이웃이 모자를 빌려 주면 맨발이 이웃에게 움직입니다. 이런 일이 계속되면 베어 헤드가 사람들의 선로 아래로 이동합니다. 사물의 부재는 사물처럼 행동 할 수 있습니다!
유명한 물리학 자 폴 디락 (Paul Dirac)은 1930 년에 구멍에 대한 아이디어를 내놓았다. Dirac은 기본 물리학을 연구하고있었습니다. 그는 양성자가 구멍으로 설명 될 수 있기를 바랐습니다. 그것은 사실이 아닌 것으로 판명되었습니다. 나중에 물리학 자들은“양전자”라는 또 다른 입자를 발견했습니다. 그것은 반대 충전이있는 전자와 같습니다. 따라서 같은 질량이지만 반대의 책임을 가진 평범한 물질의 사악한 쌍둥이 인 반물질이 태어났다. (그러나 그것은 또 다른 이야기입니다.)
1931 년 Werner Heisenberg는 구멍에 대한 아이디어를 응축 물질 물리학에 적용했습니다. 그는 전자가 전자가 움직일 때 전류를 생성하는 것처럼 구멍도 마찬가지입니다. 그러나 긍정적으로 하전되기 때문에 전류는 다른 방향으로 이동합니다! 구멍은 "반도체"라는 일부 재료에서 전류를 전류로 운반한다는 것이 분명해졌습니다. 예를 들어, 약간의 알루미늄이 첨가 된 실리콘. 많은 추가 개발이 끝난 후 1948 년 물리학 자 윌리엄 슈클리 (William Schockley)는 구멍과 전자를 모두 사용하여 일종의 스위치를 형성하는 특허 트랜지스터를 특허했습니다. 그는 나중에 이것으로 노벨상을 수상했으며 이제는 컴퓨터 칩에 널리 사용됩니다.
반도체의 구멍은 기본 물리학의 의미에서 실제로 입자가 아닙니다. 그들은 전자의 움직임에 대한 편리한 생각 일뿐입니다. 그러나 충분히 편리한 추상화는 그 자체의 삶을 취합니다. 구멍의 거동을 설명하는 방정식은 입자의 거동을 설명하는 방정식과 같습니다. 따라서 우리는 구멍을 마치 마치 처럼 취급 할 수 있습니다 그들은 입자입니다. 우리는 이미 구멍이 긍정적으로 충전 된 것을 보았습니다. 그러나 구멍을 움직이기 위해서는 에너지가 필요하기 때문에 구멍은 질량이있는 것처럼 작용합니다. 그리고 우리가 일반적으로 입자에 귀속하는 특성도 구멍에도 의미가 있습니다.
물리학 자들은“준 사파르트”는 아니지만 입자처럼 행동하는 것들의 이름을 가지고 있습니다. 많은 종류가 있습니다. 구멍은 가장 간단한 구멍 중 하나입니다. 준 사파르의 아름다움은 우리가 실제로 다양한 속성을 가지고 주문하도록 할 수 있다는 것입니다. 양자 물리학 자 Michael Nielsen이 말한 것처럼, 우리는 이제“디자이너 문제”의 시대에 살고 있습니다.
예를 들어,“흥분”을 고려하십시오. 전자가 음전 하전되고 구멍이 양으로 하전되므로 서로를 끌어들입니다. 구멍이 전자보다 훨씬 무겁다면 (구멍에 덩어리가있는 경우, 전자는 전자가 수소 원자에서 양성자를 공전하는 것처럼 구멍을 공전 할 수 있습니다. 따라서, 그들은 흥분이라고 불리는 일종의 인공 원자를 형성합니다. 존재와 부재의 유령 춤입니다!
흥분에 대한 아이디어는 1931 년으로 거슬러 올라갑니다. 이제 우리는 특정 반도체 및 기타 재료에서 많은 양으로 엑시톤을 만들 수 있습니다. 오래 지속되지 않습니다. 전자는 구멍으로 빠르게 떨어집니다. 이런 일이 일어나려면 종종 10 억 1 천 분 미만이 걸립니다. 그러나 그것은 흥미로운 일을하기에 충분한 시간입니다. 두 개의 수소 원자가 함께 붙어 분자를 형성 할 수있는 것처럼, 두 개의 엑시톤이 함께 붙어“biexciton”을 형성 할 수 있습니다. 엑시톤은 다른 구멍에 달라 붙어“트리온”을 형성 할 수 있습니다. 엑시톤은 심지어 광자를 고수 할 수도있다 - 빛의 입자 - 그리고 "Polariton"이라는 것을 형성합니다. 물질과 빛의 조화입니다!
인공 원자 가스를 만들 수 있습니까? 예! 저밀도와 고온에서 엑시톤은 가스의 원자와 매우 흡사합니다. 액체를 만들 수 있습니까? 다시 말하지만, 예 :밀도가 높고 차가운 온도에서, 엑시톤은 액체처럼 작용하기에 충분히 서로 충돌합니다. 더 차가운 온도에서, 엑시톤은 거의 점도가 거의없는“슈퍼 플루이드”를 형성 할 수도 있습니다. 어떻게 든 소용돌이 치면 실제로 영원히 계속 될 것입니다.
.이것은 요즘 응축 물질 물리학의 연구자들이하는 일에 대한 작은 맛 일뿐입니다. 엑시톤 외에도, 그들은 다른 여러 준파드를 연구하고 있습니다. "포논"은 결정을 통과하는 진동으로 형성된 사운드의 준 사양입니다. "마그논"은 자화의 준 입자입니다. 스핀이 뒤집힌 결정의 전자 펄스. 목록은 계속되고 더 밀교가됩니다.
그러나 준 사파르보다 현장에 훨씬 더 많은 것이 있습니다. 물리학 자들은 이제 빛의 속도가 평소보다 훨씬 느린 재료, 예를 들어 시간당 40 마일을 만들 수 있습니다. 그들은 평범한 3 차원의 공간과 시간 대신 두 개의 공간 치수와 2 개의 시간 치수가있는 것처럼 빛이 움직이는 재료를 만들 수도 있습니다! 일반적으로 우리는 시간이 한 방향으로만 진행될 수 있다고 생각하지만,이 물질에서 빛은 여러 방향 중에서 선택할 수 있습니다. 반면에, 우주에서의 움직임 비행기에 국한됩니다.
요컨대, 응축 물질의 가능성은 우리의 상상력과 물리학의 기본 법칙에 의해서만 제한됩니다.
이 시점에서 일반적으로 회의론자가 와서 이러한 것들이 유용한 지 의문을 제기합니다. 실제로,이 새로운 재료 중 일부는 유용 할 가능성이 높습니다 . 실제로 많은 응축 물질 물리학은 내가 방금 묘사 한 것보다 매력적이지 않지만 새로운 개선 된 컴퓨터 칩을 개발하고 전자 대신 빛을 사용하는 "Photonics"와 같은 기술을 개발하기 위해 정확하게 수행됩니다. Photonics의 과일은 유비쿼터스이며, 평면 TV와 같은 현대 기술을 포화시켜 주지만 물리학 자들은 이제 빛을 사용하여 정보를 처리하는 컴퓨터와 같은보다 급격한 응용 프로그램을 목표로하고 있습니다.
.그런 다음 일반적으로 다른 종류의 회의론자가 와서 응축 물질 물리학이 "공학"인지 묻습니다. 물론이 질문의 전제는 모욕적입니다. 엔지니어링에는 아무런 문제가 없습니다! 유용한 것들을 구축하려는 것은 그 자체로 중요 할뿐만 아니라 물리학에 대한 새로운 질문을 제기하는 좋은 방법입니다. 예를 들어, 열역학의 전체 분야와 엔트로피의 아이디어는 부분적으로 더 나은 증기 엔진을 구축하려고 노력하는 것입니다. 그러나 요약 물리학은 단순한 엔지니어링이 아닙니다. 그것의 많은 부분은 내가 여기서 이야기했던 것처럼 물질의 가능성에 대한 푸른 색의 연구입니다.
요즘 응축 물질 물리학 분야는 기본 입자 나 블랙홀에 대한 연구만큼 새로운 통찰력을 보상합니다. 그리고 기본 물리학과 달리, 응축 물질 물리학의 진보는 빠릅니다.
따라서 누군가가 기본 물리학의 고통을 불러 일으키는 것을 볼 때 진지하게 받아들이십시오. 그러나 당신을 실망시키지 마십시오. 응축 물질 물리학에 대한 좋은 기사를 찾아 읽으십시오. 당신은 즉시 응원 할 것입니다.
John Baez는 리버 사이드 캘리포니아 대학교의 수학 교수이며 싱가포르의 양자 기술 센터의 방문 연구원입니다. 그는 방위각의 수학, 과학 및 환경 문제에 대한 블로그입니다.
리드 이미지 :Stef Simmons, UCL 수학 및 물리 과학 / flickr
이 기사는 2021 년 2 월의“원더”문제에 온라인에서 처음 등장했습니다.
