以色列科學家開發新型數學模型以創造永不熔化的物質
目前學界的共識是任何給定的物質被輸入越多的熱，其內部秩序（internal order）就會變得越混亂，使其融化或蒸發。但並非所有物質都會在高溫下熔化，近五十年來科學家們一直在努力開發理論模型，以描述即使不斷加熱其內部原子結構仍不被改變的物質。到目前為止所有熱力學公式得出的結論都表示物質最終都會融化或蒸發，然而耶路撒冷希伯來大學和美國肯塔基大學的研究人員開發了一種與此概念相違背的模型，該模型於近期發表於國際期刊《Physical Review Letters》，有助於超導體的研究並為綠色能源的發展提供新方向。
目前的假設是物質被加熱得越多，越多的內部秩序就會消失。但是內部秩序難以被量化，因此研究人員專注在更容易被量化的特定對稱性上。對稱性是根據系統中具有相關物理特徵的視點數量來定義的，這樣的點越多系統就越對稱。希伯來大學Racah物理研究學院的Michael Smolkin博士與博士生Noam Chai以及肯塔基大學的Anatoly Dymarsky教授共同開發了這項模型。Smolkin博士解釋，一個系統越是受熱它的秩序越是下降，對稱性也就越增加。這種說法適用於所有已知的物理系統，但研究人員想知道是否存在一個不會發生這種情況的系統。為此他們結合了量子理論與狹義相對論並用此來建立物質模型，以描述它們的特徵、行為和相互作用。
博士生Chai解釋，建立物質模型意味著用數學公式來編寫物質以表示粒子間相互作用，但找到合適模型是物理學中最大的挑戰。多年來物理學家已經開發了幾十種模型，其中包含許多的普遍物質，但也有純粹假設的模型。古典物理學是先透過實驗再從中推導出自然發生的規律，但在理論物理學這些實驗只存在於想像，我們在數學上使用不一定能夠在實驗室中測量的例子，以便在自然法則的背景下發現可能的極限。透過這樣的做法研究人員可以估計尚未被發現物質存在的可能性，然後在實驗室中嘗試找出它們。有無數例子表示隨著溫度的升高內部秩序會下降，因此這似乎是自然規律。但俄羅斯猶太物理學家暨諾貝爾獎得主Lev Landau在50多年前就發現了一個相反的例子：羅謝爾鹽（酒石酸鉀鈉），這是一種受熱時內部秩序增加且對稱性下降的晶體。然而這個現象僅在有限的溫度範圍內才會發生，超出該溫度範圍晶體就會熔化。該研究中研究人員證明理論上存在一種材料，在任何溫度範圍內加熱都不會導致其對稱性增加。在他們建立的模型中，研究人員測試哪些特徵和相互作用可以引入已知的自然定律公式中，進而得出表示物質不熔化的結果。
Chai以如下方式描述理論物理學家的工作模式：我們問自己我們想找到什麼，然後試圖在公式中找到解決方法。通常我們會尋找不止一種方法來確定所做的計算是否正確，就像是進行兩個獨立的實驗並獲得相同結果。儘管理論物理學家給人的印象是整天獨自工作的科學家，但這個過程極具互動性。我們每隔幾天會見面一次，討論結果、尋找不準確和失敗的原因並提出問題。通常這些討論會促成單獨工作下不會產生的想法，該研究的想法就是這樣開始的。我們發現了一個非常具體的例子，但目前尚不清楚它是否可以在實驗室中實現；為了建立它我們從一個現有的已知物質系統開始，並在其中添加了一個新的系統結構體，該現象是根據公式獲得的。我們在公式中得到與超級材料非常相似的物質，這種材料包括超流體(無摩擦力流動的液體)和超導體(電子在其中移動而沒有任何阻力的材料)。目前我們知道幾種超流體和超導體，但它們只存在於非常低的溫度。
世界各地的研究團隊都在努力提高這些材料的臨界溫度，以便它們能夠在室溫下運作。由於可以在不損失能量的情況下運輸電流，這樣的發展將大幅節省全球能源經濟。Chai強調這項新研究的目的不是促進全球能源問題的解決方案，而是對自然規律有更深刻的理解，透過這項模型我們打破了科學界多年來所接受的共識。此外，這項新研究還為尋找在高溫下保持有序的材料帶來新方向，這些材料很有可能是超導體，且在任何條件下都能保有超導體的特性。這也是解決能源危機的綠色方案，因為我們將能夠產生更少的電力並在此過程中燃燒更少燃料。Smolkin博士補充，如果最終能夠創造出這樣的材料那將會是一場巨大的革命，但目前這只是一個夢想。在這個階段我們發現了一個有趣的現象—自然規律並沒有禁止這種物質的存在，下一個問題是我們如何將它實現。然而以色列理工學院物理學系的Amos Yarom教授表示，該模型基於量子力學，這是一種不提供精確預測而只提供各種狀態存在機率的理論。如果 Smolkin 和他的合作夥伴能夠證明他們的理論是統一的，那將強化他們建立的模型。
除了得出晶體對稱性與溫度之間關係的共識，這項新研究還有可能顛覆另一個基本觀點，即自然界中存在統一的力。現有的物理理論描述了自然界中的四種基本力—強力（將亞原子夸克結合在一起形成質子和中子等亞原子粒子）、弱力（負責放射性衰變)、電磁力和重力。於1979年榮獲諾貝爾物理學獎的Steven Weinberg、Sheldon Glashow和Abdus Salam已證明在擁有足夠高能量時，電磁力和弱力的行為是相同的，並且能夠變成一個單一的力—電弱力。在這種狀態下所有自然力的對稱性將會更大，因為在這些力起作用的系統中存在更多相同的視點。Weinberg和他的合作夥伴在理論上確定的統一後來被經驗證實，並增加了統一四種力的理論；這是在一定條件下透過數學模型預測的，極有可能是宇宙被創造時普遍存在的條件。物理學家通常的假設是在極熱的早期宇宙中，所有自然力的行為都是相同且對稱的，也就是說年輕的宇宙是基於單一力量運作的。這種力很有可能是統一萬物的關鍵理論，也是物理學家夢寐以求的理論。
迄今為止，除了Weinberg和他的合作夥伴預測的統一力之外，還沒有透過實驗證實的其他統一力，因為這需要巨大的粒子加速器來模擬早期的宇宙條件。但是物理學家繼續尋找其他方法來證實它們，因為新的研究表示量子力學和狹義相對論的定律並不要求自然界隨著溫度的升高而增加對稱性，即使它是早期宇宙中存在的那種極端溫度，力的統一也不是必需的。這項新研究不僅打破了熱量會降低內能的共識，還顛覆了單一力量在早期宇宙中起作用的看法。
Smolkin博士表示，力的統一意味著有更多的對稱性，因此如果大自然選擇不阻止這種即使能量增加也會破壞對稱性的可能性，那麼統一力的假說可能不是正確的。然而現有的觀察結果都可以用標準模型來描述，標準模型是描述基本粒子行為的公認定律系統。根據這個模型對稱性將隨著能量的增加而增加，這就是為什麼許多科學家認為在高溫下宇宙更加對稱。但標準模型並不能說明全部情況，例如它缺乏對暗物質和暗能量的解釋，這就是為什麼如果我們發現標準模型之外的模型，這個例外有可能在非常高的溫度下仍然保持對稱行為，但這仍舊是一個謎。
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