無序與亞穩態之間的聯系 日本科學家找到辦法量化了！

材料牛注：生活中有很多結論是我們一直在使用，但是從來沒有被證實過。在科學界也存在不少這樣的事情，比如我們熟知的顆粒材料中無序和亞穩態的關系。但近期日本科學家研究出了量化表達它們聯系的方法。

知道某事和能夠去證明某事是存在很大差別的。即使在科學界，也存在一些大家都知道但卻沒人能證明的理論。顆粒材料中的無序和亞穩態就是這樣一種情況，直到有三個研究員設計了一個實驗去測量兩者之間的關系。

來自沖繩科學技術大學院大學的Bandi教授和名古屋大學的Naoki Iikawa和Hiroaki Katsuragi近期在雜志Physical Review Letters上發表文章，首次測量并量化了由無序誘發的亞穩態。Bandi說道：“大家都知道會有這個結果，但是在我們之前沒有人能夠找方法來測量顆粒材料中無序和亞穩態的關系。”

亞穩態是物理系統中涉及能量水平的一個概念。當一個物理系統是穩定的，它就只有一個最低的能量。當它變化時，就像水桶落入井中一樣，總會停在同一低能狀態。

然而，有些物理系統卻類似在底部有很多水池的井。當水桶在這樣的井中下落時，是不可能準確預測它會落在哪個水池的。另外，如果水桶被重新舉起到任何高度后再重新放下，它可能落在不同的水池。這種物理系統就是亞穩態：系統的最低能量既不是唯一的也是不可預測的。

亞穩態和無序的關系是難以捉摸的，因為傳統的測量方法用于顆粒體系去測量亞穩態是不夠靈敏的。Bandi和他的同事之所以能成功是因為他們跳出了這個禁錮。他們借用了物理學分支——液晶物理的一個參數“S”（有序度）。他們認為S可以被用來探測顆粒體系中力的方向。這種力被稱為力鏈，是由顆粒間接觸引起的力網。力鏈賦予了顆粒體系某些特殊的物理性能。科學家們一般借助光彈性光盤（一種受壓時會產生變形的光敏材料）來探究力鏈。

當確定了有序構型中S值不會發生變化后，科學家們制備了一種隨機構型的光彈性光盤，并把兩個直徑不同的光盤插入一個垂直結構中。在這種構型下，力鏈可以指向任意方向。Bandi回憶道：“接著，我們沿著豎直方向輕輕敲打這個結構。”

光盤的構型保持不變，但是力鏈的方向慢慢從重心方向轉向所有隨機的方向。科學家捕捉住這個過程的高分辨圖像。這些圖像顯示了正在改變的力鏈，接著科學家把視覺信息轉化為數字，計算得到的S值證明了力鏈的變化，最終證明了顆粒體系間無序（由敲擊引起）與亞穩態間的聯系：每次敲擊后體系將在不同亞穩態間變化，就像水桶每次抬起又放下后落入不同的水池。

雖然結果在大家預料之中，但是S值（來自液晶物理的參數）的引入為顆粒材料的研究帶來了新啟發。過去科學家們更多的關注顆粒材料的結構，而S值的出現使人們的視線聚焦到顆粒材料內部力鏈的方向上。這樣他們可以有新的方法去描述顆粒材料的無序及亞穩態，從而有望帶來關于顆粒材料的新認識。

原文鏈接：The Proof is in the Pudding

本文由新銳丁旺旺翻譯，張藝審核，感謝顧玥提供素材！！