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戴希:安德森教授纪念会上那些让人印象深刻的片段

科界 07月25日

他的研究兴趣永远是由实验结果而非数学结构的美妙触发的,这一点跟狄拉克和杨振宁有所不同

撰文|戴希(香港科技大学物理学系讲座教授)

7月23日凌晨,我在线参加了ICAM年会上的纪念菲尔·安德森教授(Philip Warren Anderson,1923.12.13-2020.3.29)的专场研讨会,来自佐治亚理工的Andrew Zangwill教授做了一个精彩纷呈的报告,带着大家回顾了这位伟大的物理学家无比精彩的科学生涯。

刚刚离世的安德森教授是普林斯顿大学物理系的荣休教授,他于1977年获得诺贝尔物理学奖,是凝聚态物理的奠基人之一。对我来说感触最深的,就是菲尔的研究兴趣永远是由实验结果而非数学结构的美妙触发的,这一点跟狄拉克和杨振宁有所不同。

上世纪50年代,他到贝尔实验室以后的第一个研究课题,是如何从理论上描述反铁磁体材料及其相变,在研究中,他提出超交换和自发对称破缺的概念。然后他的兴趣转到无序电子体系,其背景就是如何通过掺杂使得半导体导电的实验问题。

50年代末,他的兴趣转到超导体,从研究超导体的集体激发模式到发现Anderson-Higgs机制,再从超导体的相位涨落到约瑟夫森隧道效应,其背后都是重要的实验物理学问题。

70年代开始,他的主要兴趣又回到磁学,这次他受到材料学家Matthias的影响。当时Matthias制备了一系列磁性金属和非磁性金属形成的合金材料,他请菲尔考虑一个非常现实的实验问题,就是这些合金有没有磁性,如果有磁性如何给出理论描述?在对这个问题的研究过程中,菲尔提出了安德森模型和解决Kondo问题的关键思想——重整化。通过对这类体系的思考,他又产生了自旋液体的想法,也就是共振价键态(RVB)。

菲尔的学术生涯最后面对的问题,就是铜基高温超导体系的机理问题,这对他来说就好比是游戏打到最后一关跳将出来的超级大Boss。面对这个由实验物理学家提出的艰巨挑战,菲尔又一次早早地交卷了,他给出的答案跟常规超导体的BCS理论完全不同,是基于掺杂共振价键态的全新超导理论。虽然说菲尔后来对自己提出的这一理论发生过动摇,但最后他还是回到了最初的想法。也许有些同学会有不同意见,但我的看法是,这就是解释高温超导机理的正确理论,也是他伟大的学术生涯里最后的高峰。

下面,我来介绍一下这个报告中最令我印象深刻的一些片段。

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图0: 安德森教授的肖像画。作者是我的好朋友Titus Neupert,目前在瑞士苏黎世大学任教。这幅画是他2015年在普林斯顿担任博士后期间所做,此后一直挂在普林斯顿大学物理系Jadwin Hall的走廊墙上。Zangwill教授把此画作为这次演讲的PPT封面。(本肖像画的版权由Titus Neupert博士所有)

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图1: 菲尔·安德森教授对凝聚态物理思想的贡献。满满的一屏,几乎就是整个凝聚态物理的发展史。

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图2:菲尔·安德森教授的童年在UIUC(伊利诺伊大学香槟分校)度过。

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图3:安德森教授在哈佛取得博士学位,那一年哈佛物理系理论物理专业的学生中有十一位选择了Schwinger作为导师,只有菲尔选择师从Van Vleck教授研究量子化学。正是这位Van Vleck教授提出了满壳层原(离)子的Van Vleck顺磁性,而2010年我们把Van Vleck教授的理论推广到固体系统,建立了描述磁性掺杂拓扑绝缘体中铁磁性的“Van Vleck机制”。

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图4:菲尔·安德森教授的博士论文《关于NH3分子微波吸收谱的线宽问题研究》。

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图5:菲尔·安德森教授第一次在美国物理学会三月会议上作邀请报告,那一年他27岁。在我认识的朋友中,第一次做三月会议邀请报告时的年龄比菲尔小的只有一位。

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图6:菲尔·安德森教授最推崇的凝聚态理论研究范式,就是从对实际材料体系的深刻理解出发,提炼出最简单的模型,安德森模型、安德森局域化、共振价键等,都是这方面的典范。

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图7:1993年菲尔在美国国会关于超级对撞机建设的听证会上,与温伯格教授各执一词。如今看来,按照Zangwill教授的说法,两位大物理学家都言重了,粒子物理学家至今还有许多问题可做,美国的高能物理也没有“死亡”。

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图8:菲尔总结了四条他对科学的深刻理解。关于第一点,也就是我们常常挂在嘴上的“少数人掌握真理”的观点。关于第二点,我很遗憾没能有机会问问他对人工智能的看法。关于第三点,我能想到的例子就是“幸存者偏差”问题。而关于最后一点的深刻思考将超越实证科学的范畴而走向某种先验的、近乎神学的观念。

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图9:这是一个悲伤的故事。1954年菲尔·安德森教授在东京大学久保亮五教授的研究组里进行了半年的学术休假,回美国之前,菲尔送给久保教授一盆花,叫做“Japanese quince”, (中文似乎称作刺梅)。久保教授把它移植到自己家的后院里。这盆象征着日美两国科学家友谊的花每年都开得很好,上图的右上角就是久保教授的小女儿去年三月拍的刺梅花开的美景。到了今年三月,这株植物突然就枯死了,而在短短一个多星期之后就传来了安德森教授过世的噩耗。也许,正如《红楼梦》里黛玉说的,人世间致美之物都是通灵性的吧。

最后,大家如果对这个精彩的报告有兴趣,可前往“返朴”微博观看录像。

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超导体 安德森

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