来看看物理版的“妖魔鬼怪”

原文标题：《万圣节还在 cos 传统鬼怪？来看看物理版的“妖魔鬼怪”！》

又是一年一度的万圣节，

各路妖魔鬼怪也是蠢蠢欲动。

我们搞物理的，

当然是不信这一套的。

我们有物理版的“妖魔鬼怪”。

妖/ DEMON

首先要向大家介绍的，是“妖”族代表队的两位成员。

它们一个可以通晓过去未来，一个可以控制单个分子，它们作为著名物理天团“四大神兽”的成员，可谓家喻户晓，妇孺皆知，它们就是 —— 拉普拉斯妖（Démon de Laplace）以及麦克斯韦妖（Maxwell's demon）！

拉普拉斯妖是由法国数学家拉普拉斯提出的一种假想生物，它知道宇宙中所有粒子的位置和动量信息，在经典力学中，它可以通过牛顿运动方程来计算得到宇宙中任意粒子在任意时间的信息，即通晓了宇宙的过去和未来。

麦克斯韦妖同样是一种假想生物，由英国物理学家麦克斯韦提出。它的特别之处在于可以控制单个分子，将一个绝热容器里的分子按运动速度不同分开，从而减小整个体系的熵。麦克斯韦妖的能力来自于自身的“妖力”，在控制分子的过程中不消耗能量，因此整个体系便实现了自发的熵减，这是违背热力学第二定律的。

当然，现在的物理学家们已经为两只小妖分别准备好了笼子“关了起来”，其中关住拉普拉斯妖的笼子叫海森堡不确定性原理，关住麦克斯韦妖的笼子叫信息熵理论。受限于篇幅，此处不做展开，有兴趣的小伙伴们可以自行了解。

魔/ MAGIC

接下来要介绍的，是“魔”族代表，它在最近几年大火，是材料领域的大热门，相关文章多次登上 Nature、Science 等顶级期刊，一个简单的偏转推开新世界的大门，它就是魔角石墨烯（magic-angle multilayer graphene）！

在了解魔角石墨烯之前，我们首先从二维材料说起。

我们可以分别用点、线、面、体来代表零维、一维、二维、三维，那二维材料就是只有一个面，厚度为零的材料。当然，实际上的材料不可能是零厚度，通常一个材料只有几个原子层厚（几个纳米的量级）的时候，就可以称为二维材料。石墨烯就是一种典型的二维材料。

二维材料有什么特点呢？它们处在同一层的原子之间通常是共价键结合，而层与层之间只靠微弱的范德瓦尔斯力结合。所以只需要稍稍提供能量，便可以破坏层与层之间的结合，将其剥离成几个少层材料。最早开始研究石墨烯的英国曼彻斯特大学的 Geim 等人，便是用胶带直接从石墨晶体上撕出的石墨烯。

可以将二维材料想象成堆在一起的大饼，我们很容易就可以揭下来一层或者几层，但是要把一张分开还是要使上一些力的。

通常情况下，上下层原子之间的位置关系固定，层与层之间堆叠时的角度也是固定的。但是，当我们得到了单层石墨烯之后，便可以人为进行堆叠得到双层和多层石墨烯。

在这个“堆大饼”的过程中，如果我们把它转一下，让上下两层之间有一个角度，再给加个低温，好家伙，堆出来的多层石墨烯超导了，而且还有希望成为高温超导体！不止是超导，关联绝缘态、量子反常霍尔态等等诸多新奇的物态都出来了！

一个简单的扭曲角度，如同魔法一般，将二维材料领域的研究引入到了新的世界，这大概便是“魔角”由来。

鬼/ GHOST

在量子场论领域中，有一系列的态被赋予了“鬼”之名，鬼（ghost）、鬼场（ghost field）、幽灵粒子（ghost particle）以及规范幽灵（gauge ghost），虽然它们有着“粒子”或者“场”这种“物理”的名字，但是它们本身却是非物理的，仅仅是为了计算的便捷而产生。

前苏联理论物理学家路德维希・法捷耶夫（Ludwig D. Faddeev）用这样一个例子来说明“ghost”的意义：在电动力学中，电磁场即光子场有四个分量，但实际只有两种光子偏振，所以这四个分量中有两个是非物理的，这时候便可以通过引入“the ghosts”来抵消非物理项的影响。

For example in electrodynamics, in order to maintain manifest Lorentz invariance, one uses a four component vector potential, whereas the photon has only two polarizations. Thus, one needs a suitable mechanism in order to get rid of the unphysical degrees of freedom. Introducing fictitious fields, the ghosts, is one way of achieving this goal.

事实上，在物理中不止知存在“鬼”，而且还分成了“好鬼”和“坏鬼”。

如果引入一个“鬼”能让给定的理论自洽，那这个“鬼”就是“好鬼”，反之就是“坏鬼”。“好鬼”是虚拟的，而“坏鬼”则需要理论承认一个不需要的非虚的态，例如 Pauli–Villars ghosts 引入了具有负动能的粒子，显然是“坏”的。

在众多“鬼”中，比较经典的一个便是鬼场，也叫法捷耶夫-波波夫鬼粒子（Faddeev–Popov ghosts），其名中的“法捷耶夫”部分便是来源于上面举例的那位理论物理学家。鬼场的引入便解决了量子场论路径积分时的一致性问题，同时它也是虚拟的，并不是实际存在的场。

怪/ STRANGE

在“妖”、“魔”、“鬼”之后，终于轮到了“怪”。

如果范围不局限于物理，在各种编程题目里有“怪数”一说。而带“怪”的物理名词，小编想了很久，好像还真没有。为此，小编还尝试了用“怪场”、“怪力”这种可能出现的名词去搜索，直到用“怪子”搜索的时候得到了下面这张图。

OK，给大家科普一下，蛏（chēng）子！挺好吃的。

经过一番无用搜索之后，小编也是放弃了直接寻找的想法。

让我们就换个思路。

其实很多名词都有多种翻译，比如“strange particle”，国内普遍翻译是奇异粒子，但翻译成怪粒子也未尝不可，顺着这个还有量子数中的奇异数“strangeness”，完全可以翻译成怪数对吧。再比如魔鬼粒子“The devil particles”，也可以叫怪子。这么一看，物理学中的“怪”还是很多的。

（物理名词的翻译问题有专门的规则，以上纯属玩笑，请勿当真。）

让我们再把思路打开，鬼怪岂是如此不便之物？

漫长物理史上，最不缺的就是那些怪异的、出人意料的发现。

泊松为驳倒光的波动学说，亲自计算，发现光源会在一个挡板后面形成一个亮斑，这显然是反常理的；但是人们通过实验，却发现还真的会出现这样一个亮斑！这个用来驳倒波动学说的论据，却成为了证实波动学说的有力证据，从此“泊松亮斑”永远在教科书上留名。

卢瑟福用 α 粒子轰击金箔，本意是观察原子的枣糕模型，却意外发现了原子核的存在，推翻枣糕模型而建立了经典的原子的核式结构模型。

普朗克为解释黑体辐射，破天荒地假设能量以不连续性的方式吸收和发射，尽管其本人也难以相信这一点，甚至花了数年时间试图否定这个想法。然而就是这一发现，打开了量子世界的大门。

在普朗克之后，量子力学蓬勃发展，这位更是物理中最大的“怪”。能量是不连续的，怪；粒子位置和动量不能同时确定，怪；物质既是波又是粒子，怪。这样一个从头怪到尾的理论，居然是现代物理学的两大基石之一，甚至日常生活中都能看到各种各样的“量子产品”，这难道不也是一种“怪”吗？

物理，其实本身就是一门发现“怪”与研究“怪”的学科。经过研究与解释，旧的“怪 " 逐渐被人熟知，不再是“怪”；新的“怪”得到发现，吸引人们去研究。如此重复，不断探索，不断求真。

除了物理，还有很多领域中有“妖魔鬼怪”的存在，小伙伴们知道哪些呢？

参考资料：

• 1. https://encyclopedia.thefreedictionary.com/Ghost+(physics)

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：乐子超人

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