玻璃在低溫下可能是一種新的物質形態

在數學上，高度有序的晶體更容易理解，而且物理學家早已發展了一系列理論來描述晶體的性質——從它們如何吸熱到它們破碎后的行為。但對于玻璃、冷凍食物或特定的塑料等這些非晶體或無序的材料，目前并未出現普遍被接受的理論以解釋它們的物理行為。

在過去的30年中，物理學家一直爭論著在這些無序材料的理論模型中存在的一種神秘的相變，是否也存在于現實生活中的玻璃。從粒子物理學借鑒的一些數學上魔法，加上幾十頁的手寫代數計算，杜克大學的研究員 Sho Yaida終于解決了這場持續了近30年的爭論。

△ 通過30頁的手算，Sho Yaida揭開了玻璃和其它無序材料在低溫下的神秘本質。它們很可能是一種全新的物質狀態。（圖片來源：Irem Altan）

Yaida的洞察力打開了某些類型的玻璃能夠在低溫下處于一種新的物質狀態的可能性。這意味著在低溫下，玻璃對熱、聲音和壓力的反應可能不同。

Sho Yaida 的導師 Patrick Charbonneau 表示：“我們找到了這種相變的線索，但以前我們不敢說這是該相變的證據，因為學術界普遍認為它是不可能存在的。而 Sho 證明了它可以存在。”

但最令 Charbonneau 驚訝的地方在于，玻璃和其它無序系統的背后的數學在假想的無限維度宇宙中更容易求解。在無限維度下，它們的性質能相對容易的被計算，這好比是在三維宇宙中計算晶體的性質。

在這些無限維度計算中的一個特色是存在一種相變，被稱為“Gadner相變”。如果這種相變存在于玻璃之中，就會顯著地改變玻璃在低溫時的性質。

△ 玻璃在低溫下可能是一種新的物質狀態。（圖片來源：Sasha Taylor, CC-BY-SA-3.0 license）

但這種在無限維度中明顯存在的相變也存在于三維之中嗎？回到1980年代，一群物理學家進行了數學計算，并給出了否定的答案。因此，在過去的30年中，物理界普遍的觀點都認為雖然這種相變在理論上很有趣，但跟現實世界無關。

直到最近，Charbonneau 和其他人在玻璃形成的實驗和模擬中發現了三維玻璃上存在該相變的線索。

有著粒子物理學背景的 Yaida 重新研究了過去的數學證明。他發現過去的計算中并沒有找到在三維中的一個“定點”——這是該相變存在的先決條件。他認為自己只要進一步的計算，或許就會得到不一樣的答案。

△ 在過期的計算中，研究人員無法在三維中找到一個“定點”，或者所有線條重疊的一個點（左）。通過進一步計算，Yaida確定了該點的位置（右），證明了玻璃在低溫下或許存在著一個新的相變。（圖片來源：Sho Yaida）

在一個月的努力后，滿滿30頁的計算手稿，Yaida終于證明了自己的猜測。

Yaida說：“這樣的時刻正是我投身于科學的原因，雖然僅僅只是一個點，但對于這個領域的研究人員來說卻意義非凡。它使人們在七八十年代苦苦追尋的奇異物態在三維世界中有了物理關聯。”

經過了一年的反復校對，加之額外的幾十頁輔助計算，這項結果終于發表在5月26日的《物理評論快報》上[2]。

Charbonneau表示：“該相變可能真實存在于三維世界的事實意味著我們應該開始認真的對待它。它影響了聲音是如何傳播的，有多少熱會被吸收，信息的傳輸。以及如果開始剪切玻璃，它將會如何形成，又將如何破裂。該研究深遠地影響了我們對非晶體的理解，無論它們是塑料、散沙或玻璃。”

參考來源：

【1】https://today.duke.edu/2017/05/breaking-glass-infinite-dimensions

【2】Patrick Charbonneau et al, Nontrivial Critical Fixed Point for Replica-Symmetry-Breaking Transitions, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.215701?

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