凝聚态物理；

当周围的温度下降到我们行星所特有的温度时，原子和分子将凝集成常见的凝聚物质固体和液体。

固体过去几十年中，对固体结构的了解和探索取得了巨大进展。这主要为平移不变性概念——在所有方向上，周期性的晶体结构无限次重复——和电子波函数及相应的能带结构概念。然而，目前人们把注意力集中于对平移不变性或长程有序概念的背离上。或许，最急剧的背离就发生在表面处。在这方面，表面物理在最近几年内取得了一些重要的进展。第二种背离发生在非晶态固体领域中。这里起主要作用的应该是短程有序而不是长程有序。这方面也有希望取得新的认识和应用（见图4）。

对固体和液体中各种现象，最有力和范围最广的新的探查方法是同步加速器辐射，这原是高能电子加速器设计者长期以来感到头痛的问题，而只是在最近几年人们才认识到它可以作为一种波长连续变换的电磁辐射源。其波长范围可从紫外到硬X射线区，且其强度比以往所有的各种电磁辐射源要大好几个数量级。

这些同步光子使表面发射光电子和俄歇电子。通过对它们的研究，人们获得了大量关于表面及气体与表面互作用的知识。例如，目前已知道，在室温下清洁的铝表面暴露于氧气中只有一部分氧与铝发生反应生成氧化物Al₂O₃，绝大部分氧则被化学吸附于表面处，而通过升高温度，则又能把它转为氧化物。同样，落在清洁镍表面上的一氧化碳分子，它们总是与表面相垂直地排列。所有这些，都靠精密地测定发射电子的能量而精确地知道光子的能量，并采用倒推法来推算出从中射出电子的化学及结构环境。目前已逐渐形成了一些非常精致的技巧来进行这种推算。

在非晶态固体领域中，目前已认识到能带结构——长期以来，这被作为周期性晶体结构的特征——表现为短程有序的标志（见图4）。从这点出发，已证实了许多固体电子学中所常见的电子元件可由非晶态物质来制成，从而可大大降低成本，减少污染物对器件质量的影响，且面积可做得更大。研制各种技术来固定动摇的原子键（这种原子键是向非晶体中加入小原子如氧、锂、氟时所不可避免的），是大家关心的重点。不然的话，就需改变能带宽度中的能量密度，来获得所需的电子特性。

对晶体材料和非晶态材料，利用功率非常大的毫微秒激光脉冲来使表面熟练已取得了宽广的和引人注目的应用。如果脉冲的持续时间足够地短，功率足够地大，就可使表面熔化层的厚度仅为几百个埃，而且几乎就能立即凝固。在某些应用中，这种工艺的优点是它不仅消除了前期处理工艺（如离子注入、扩散等）中所造成的缺陷，而且还能通过凝固把不希望有的痕量污染物驱赶到表面处，这是由于生产中所不希望有的痕量污染物一般在液体中溶解要比在固体中溶解更容易些，从而就能在特定的熟练区中得到超纯基片材料。另一种应用是利用激光熟练在非晶衬底上的任何所需区域制出超纯结晶层。这类应用对制造太阳能电池和制作磁泡存储器尤为重要。

相变在凝聚物质中最引人注目的现象之一是固态与液态、液态和气态、正常态和超导或超流态、磁态与非磁态等之间的相变。对这些相变的基础研究已成了现代理论物理中最活跃的领域。首先，我要区别一下一级及二级相变，在一级相变中的量（熔化时物质的体积）不连续改变，而在二级相变中的量（液氦从正常态变换到超导态时的热）连续改变，但其一次微商中有一不连续点（见图5）。用另一种讲法，那就是在温度低于熔点时，并无任何与熔化有关的先兆（一级相变）。然而如图5所示，在一个二级相变成超导（或铁磁）的温度近旁是有这种先兆的。近年来提出了一种称为重正化群的广泛而详尽的理论以描述在二级相变近旁温度的行为。这项工作必然会使人们提出除了相变的“级”外，相变附近系统的行为应与这问题的维数有密切关系。这就是讲，一个二维系统的熔化应与三维系统中所常见的情况截然不同。此外，一个完整的二维系统预计将不会显示任何在完整的三维固体上的中子与X射线散射的锐布喇格散射特征。除此以外，人们还认识到一个物理情况的有效维数不必是整数，而如同在粒子物理和核物理中等格方法处理角动量那样，维数有时可视为一连续的参数。

这些考虑，迫使人们重新深刻地详细评价固体的行为，并把致力于发现不同于三维的系统作为研究的主题。在复杂的掺有金属的有机化合物如聚对苯撑中已发现了有效一维系统。这些化合物中金属原子排成一线。构成了基本上为一维链状的导体。最奇妙的一种二维系统是漂浮在冷却到1 K以下的液氦表面上的电子层。在实验中，其电子浓度可在每平方厘米10⁴~ 10⁹这样一个很宽的范围内变动，当这样二维系统冷却到低于相变温度T_c时，通过射频的吸收可观察到一些共振现象。比较满意的解释是在T_c时，发生了向三角形电子点阵的转变。

在二级临界相变点的范围内再现实验观察的结果，是这项理论工作的目标。将其作为温度T的函数，其形式为(T－T_c)^β（见图5）。此处β称为临界指数。虽然β基本上与特定的系统（不论是铁磁体或超导体或其他完全不同的物体）无关，但它与系统的对称性和其空间维数密切相关。

然而，所有这些重正化群的工作中，使人最惊奇和最满意的结果的是，全部理论陈述只要给予适当的重新解释后，都能直接用于一般的场论理论。此处要强调的是场的涨落及其特征范围，特别是把重点集中在标度的完整拇念上。我们试图能形成一个在距离尺度截然不同的范围内都有效的理论。相变理论，通过重正化群，正在量子色动力学中的渐近自由的概念中盛行起来。当距离足够小时，所预计的夸克，夸克力减少（夸克变成自由夸克）。这是物理的基本统一性的另一个例证。

促进工艺的研究固体性质的基础研究在二个特定领域中有力地促进了工艺改进。目前，铬、钛、钴、锰、锶等材料，90%以上我们都需依靠进口。这些材料对一个技术高度发展的社会来说在各方面都是至关紧要的。糟糕的是，目前世界上这些材料在经济上合算的矿石正在迅速减少。因此我们不得不去探求代替品并使新的材料和目前短缺的那些材料有相同的结构、相同的腐蚀特性及其他特性。这又一次把目标集中于表面物理并取得了成就。例如，导致了与化学合金相反的物理合金的发展，在这种合金中，通过离子束技术注入化学不相容的物质以取得所需的特性。这是一个前景宽广且又极其重要的领域。

对固体电子学中大规模集成电路的要求不断提高也促进了对凝聚态物质的研究。1960年我们只能在一块片子上做成一个器件，而在1970年一块片子上器件的数目已成了10²个，而到1980年，则为10⁶个。然而我们还没有达到材料本身的物理极限的数量级。10⁹个器件的片子已离我们不远。同时，我们发现，过去20年中电子器件的成本下降了10⁶倍。我们估计这成本下降的趋势还将继续下去，而器件的可靠性及低能耗的要求仍将保持目前的标准。这里，有必要从另一个不同的方面来谈这个问题。国会图书馆的全部藏书相当于70万亿位的信息。需要目前世界上容量最大的随机存储器20台才能容纳这些信息。按目前估计的发展速率，在八十年代内，只要一个记忆元件就能很宽裕地容纳国会图书馆藏书的全部信息。再打一个和个人有关的比喻，普通的人脑中存储单元的容量为10¹²个。20年前，同样容量的计算机存储器的体积为1/10立方英里。从目前的趋势估计（这不免使人吃惊），到2050年我们可以把这10¹²个存储单元安置在一个略小于人脑的固态存储器中。

这些发展的最终结局是我们目前所无法想象的，但它们已在许多地方根本改变了物理学的特点。我们现在已能提出些即使五年前还不可能提出的复杂问题。

前面我曾提及，核子配对导致了s和d玻色子，使我们对核物理的认识来了一个飞跃。电子配对形成了总角动量为零（库珀）则构成了较早的并已取得巨大成就的金属超导性的巴丁——库泊——施里昂模型的核心。目前在这个领域中，实验工作正在探索更高的温度跃迁。一种工作温度高于液氦沸点（21°K）的可靠的超导体（这样就可不需要氦了）将在技术上带来巨大的好处。

流体氦的轻同位数³He的超流性大大地扩展了我们在量子现象方面的知识。由于它的特性和⁴He的超流特性截然不同，这就反映了这样一个事实，即³He核为费米子而⁴He核则为玻色子。与电子的库珀对的相对角动量为零相反，超流态中成对³He核的角动量为1，故而这种超流体相对于宏观地使粒子对取向的外加磁场会显示出“织构”与显著的各向异性。这给量子物理提供了宽广的研究领域。

在经典流体物理中，湍流可作为现代物理中尚未解决的重要问题之一。湍流在有序和无序运动的分界线上，无法用数学处理来解决，而只能使用介于简单近似和统计简化的方法。但湍流在我们这个技术社会中却又无所不在。它导致了喷气发动机的噪音、心瓣的故障、在很大程度上它能决定我们的气候、在高速运输的能耗中它占了很大一份。利用应用数学来解决湍流理论中的问题，这是在1941年由—个莫斯科小组首先提出的，但直到大约1950年以后，这些理论才被介绍到西欧及北美。苏联在1955年引入了流体力学的时间相关函数，并不断加以开拓发展。而西欧和美国工作的特色则是前所未有的大规模计算机模拟。

最近这个问题又在美国提了出来，并取得了重大进展。这可用一个最简单的例子来说明。一块板状流体在其下方不均匀地加热，热流低时，液流是片流和均匀的；当热流增加时，出现了瑞利早就预言过的第一种不稳定，其表现形式为对流漩涡（见图6）。它在一个方向显示出周期性，而在其正交方向则为无限长。当热流增加，这些对流漩涡开始沿它们的长度方向作正弦振动，如热流继续增加，接着就会出现附加振荡波模。这些振荡波模的特性是：每一个新振荡波模的周期均为原来振荡波模周期的一倍。随着越来越多的振荡波模的出现，整个系统中某一给定状态的重现时间间隔就越来越长。在极限情况下，即当此时间间隔变为无穷大时（也就是讲，此系统再也不重现），就出现湍流。

这也同时证实，在掺有非线性耦合节的情况下，即使是最低三级的振荡波模，最终也会引起湍流。这项工作导致了所谓的（所讨论的何题中）相空间内的奇异吸引表面（Strange attractor surface）。系统的流迹最初并不在向它们运动的奇异吸引表面上，而—到达奇异吸引表面，它就留在那里并作为湍流的特征进行无规则的运动。对于这个湍流内部的奥秘，我们的开拓工作还仅仅是刚开始。

流体物理学中，尚未解决而又吸引人的问题是那些与我们行星表面的板块构造——即各大陆本身——运动有关的问题。在一个非常短的时期内，—个远远不能被人理解的想法，一下子就变成了大家所公认的真理。然而人们对有关板块结构的机理基本上还是一无所知，地磁学机理的详情细节也是如此。

相对论天体物理学

3K黑体宇宙辐射（即原始大爆炸的有多普勒位移的回波），是现代天体物理学的最重要的发现之一。最近的观测证实这种辐射的确有黑体特性，但也发现了轻微的各向异性现象。用多普勒位移原理来解释，测量到辐射的各向异性可以证明，我们的太阳系在以每秒几百公里的速度向狮子座方向运动。这种3K辐射如此弥漫整个太空，实际上构成一种均匀的背景，一种新的以太，据以能够测量宇宙中各物质部分的运动。

旋臂星云，可说是晚空中的最引人注目的常客。就其外表来看，它应该遵循较为简单的物理学。但事实不是那么回事，没有一个力学和流体力学模型能成功地再现旋臂显然具有的长期稳定性。很有意义的（并且一般说来对物理学很有教益的）是，有一批受过初等生物学训练的研究人员联想起，生物系统中短距有序可引向长距效应（物理学家也可从非晶态固体中认识到这点）。他们基于这种认识，导出一种很简单的物理模型，把星云占据的全部空间分割成若干单元。每个单元中产生超新星具有随机几率。设想，这颗超新星发出的冲击波，激发相邻的单元生成星体，并认为整个体积以一角速度转动。新发射的爱因斯坦天文卫星初步测到的X辐射结果，令人信服地支持这种冲击波假设。如图7所示，这个模型，不仅得到了与旋臂星系极相似的特征性恒星图案，而且，所要求的长期稳定性也有了。

毫无疑问，引力坍缩，是最惊人的一种物理过程。但我们仍旧不能理解它，尽管不断有所进展。已经知道，初始质量小于1.4倍的太阳质量的恒星，遵循赫芝布朗（Hertzsprung）和拉塞尔（Russell）早就证实的演化途径将到达白矮星。白矮星，密度约为1000吨/英寸³，靠电子简并所产生的压力维持稳定。它不停地向外辐射能量；直到变为太空中的一团熔渣，落得个可怜的结局为止。初始质量在太阳质量的1.4倍到2倍之间的恒星，中子简并产生的压力的1.4倍到2倍之间的恒星，中子简并产生的压力可抵抗住引力作用，使该系统稳定在10³吨/英寸³的平均密度上。它们将演变成中子星，即直径为几十公里的巨大的量子力学系统。

中子星奇异无比，以至如果自然界里没有它，人们甚至想造一个出来。描述中子星，用得止全部的经典物理学和量子物理学。人们认为，中子星的固态外壳，是由宇宙中最纯的铁组成的。紧靠外壳下面，是一层很薄的超导性质子，维持着中子星10¹²高斯的表面磁场。磁场加上高速度转动，产生10¹³伏/厘米的表面静电场。超导壳层包围着粘滞度为零的中子超流体。超流体内部中子层，不可能作连成一体的转动，必定生成一系列小涡流。涡流神都平行于恒星的旋转轴。根据现行理论，在一个三角点阵中，每平方厘米大概有10⁴个这样的涡流。靠近中子星中心，密度接近10¹⁵克/厘米³。关于这里的成分和结构，目前还一无所知。在这样极端条件下，连物质的状态方程都还不知道。

初始质量比2倍的太阳质量还大时，即使中子简并产生的压力也抵抗不住引力作用，恒星将继续坍缩下去。最后，很可能演化成稳定的夸克星。显然，这种坍缩过程中怎样演变，必然决定于如粒子物理学所确定的最后物质结构。但是，早在这种更奇异的坍缩现象出现以前，表面引力场已大至使从表面向外抛出的光子也会落回去，形成了黑洞，永远与宇宙的其余部分隔绝，仅有的特征是质量、角动量和电荷。我们宇宙大部分表观上失去的质量，如果不是由于上面提到的τ中微子，那么就一定潜藏在这种黑洞里面。

有一种有趣的设想，认为原始大爆炸中密度涨落的结果，生成了一种原生的小黑洞。这种小黑洞可能还存在着。过去，人们认为原生小黑洞已消亡。但前几年认识到，人们对引力坍缩的全部描述乃是经典的非量子化的，这就使过去的那种认识根本改变了。引进量子论，特别是考虑到在坍缩的恒星表面附近的强引力场中哥能产生物质粒子对的情况，则提出了下述可能性：黑洞不完全与宇宙隔绝。正反粒子对中的一个成员为黑洞所俘获，但另一成员可能逃离黑洞，这样使能量从黑洞中蒸发出来。

预期黑洞蒸发的最后阶段，是猛烈爆炸。根据目前的计算，如果原生小黑洞存在，而且在我们这一部分宇宙中还有的话，那么，直径为氢原子大小、质量有如珠穆朗玛峰一样大的这类小黑洞，大致现在正进入它们的爆炸期。其温度约为10¹²K，这是自大爆炸的原始火球以来的任何事物无法比拟的高温。

观测到伽马射线爆发，是近年来天体物理学中一项最重要的观测结果。自1973年以来，装有伽玛射线检测仪的人造地球卫星，已测到约100次不同的伽玛辐射爆发，发生的特征时间本1秒左右。但有关爆发源的情况还不知道。1979年3月5日，一组国际性太阳系卫星终于对强度超过以往100倍的一次爆发的爆发源，进行了定位。几乎肯定，这次爆发起源于大麦哲伦星云中的超新星遗迹N49。这次爆发持续了0.15秒，估计以大约每秒10⁴⁵尔格的能率释出伽马射线能量，发光度超过整个银河系。如果我们假定，超新星N49的中子星遗迹，在1979年3月5日那天进行了某种内部调整（一种星震），而且表面相应作了移动，巨大电磁场加速了电子，足以产生出正负电子对。随后子对发生衰变，放射出511 KeV的特征光子。这样，我们就描绘出一幅完全协调的图像。不过，中子星有很强的引力场，使这些光子发生了引力红移，变为400 KeV的谱线。实际上，苏联的一颗卫星测到的，就是这种谱线。

可以预期，在其他兄弟星系上发生的这种大变动事件，既产生了电磁辐射，又产生了引力辐射。当前的引力波接收天线，可能只有最起码的灵敏度。在1979年3月5日那天工作的引力波天线的拥有者，正在审查他们的记录，企图找出哪怕是最轻微的引力辐射的迹象。新一代的引力波天线，将有大型蓝宝石棒、超低温和超高灵敏度应变仪，有希望在全新的引力物理学领域中进行实验研究。

我们的观测，是通过大气中可透过电磁波长的狭窄窗口进行的。即使在这种条件下，我们也已经在认识宇宙方面取得了鼓舞人心的成就。由于空间技术的发展，我们已向大气层外发射了几颗早期的天文观测卫星。这些卫星彻底变革了我们的认识。航天飞机的使用，将极大地扩展大气以外的观测，达到从无线电波到硬伽马辐射的全波长范围。因此，我深信，我们必将不断地获得令人吃惊的发现。我们目前知道的东西，或许是很鼓舞人心的，但将来会证明，它们只不过是自然界中的大量奇观之一瞥。

结论

人们常常认为，物理学和其他科学一样，学科分得越来越细，专业分得越来越窄，彼此不通声气，互不了解。初看起来，确实是这种情况，但我想证明，实际上远非如此。物理学的概念、方法和技术，已在各个分科之间迅速交流。而这常常是我们的力量所在。我们确实是有共同语言的。虽然尺度上千差万别，但物理学原理并非完全相异。图8中，我描绘了凝聚态物理、原子物理、核物理和基本粒子物理中受激量子系统的激￥能谱。纵坐标刻度从毫电子伏到十亿电子伏，相差10¹²倍，但特征行为极其相似。在人为的各分科的边缘交界处，常常出现最鼓舞人心的发展取得最重要的进步。这种情况远非偶然。

为了免使人们相信，我们对自然界做得少懂得多，我最后谈一下某些基本宇宙常数的问题。以光子穿过一个基本粒子所花的时间为基本单位，宇宙的年龄为~10⁴⁰。宇宙直径用基本粒子的直径为单位来表示，为~10⁴⁰。强核力与基本粒子间的引力之比，为~10⁴⁰。宇宙质量用质子质量来表示，为~(10⁴⁰)²。因此，我们清楚地感觉到，自然界在向我们预示某种东西，但我们还想象不出它是什么。我们不能回答，为什么会出现这样一个共同的极大的数学10⁴⁰，为什么会是共同的。如果这个大数随时间变化的话，我们也不知道它是怎样变化的。长期以来，人们一直猜测，引力常数G反映宇宙的膨胀，可能有规律地随时间减少，猜测其他的所谓基本常数如电子和质子的基本电荷也可能变化。核同位素如¹⁸⁷Os和¹⁸⁷Re的相对丰度的调查结果证明，如果电子电荷变化的话，那么，在45亿年的太阳系寿命期间的变化量，不到由G - 变动模型所得到的粗略预计值的1/300。我们简直不能理解，什么是我们宇宙中简单而共同的事物。但在宇宙的120亿年中，我们科学地观测它，毕竟只有一小段时间。（全文完）

[Science，1980年7月4日]