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mkt often breakouts or goes in one direction,after a macro wedge
朗道与凝聚态物理
2010-06-14 16:36:16 来自: moart(physics&classical music)
1962年1月7日，一辆救护车呼啸着奔驶在苏联南部的高速公路上，几分钟之前有位莽撞的
醉汉将一辆伏尔加轿车撞出路基，车上的一位中年人当时就是不省人事。
新闻界对此事仅仅略微提及，但整个苏联的物理学界都被深深震动了，苏联的知名物
理学家几乎全部都聚集到医院里，有的人甚至连夜乘飞机从遥远的西伯利亚赶来。冬日的
严寒并没有把所有的人都驱赶到屋内，有人在医院门外苦守了一夜，长廊上一排排的烛光
摇曳不定，这是古斯拉夫人的习俗，如果烛光能保持一夜不灭，那么病重的人一定会得到
康复。
岂至苏联，全世界的物理学家都行动起来，已经步入垂老之年并且久病缠身的学界领
袖玻尔亲自安排了第一流的医生远赴莫斯科，这在针锋相对的冷战期间是极为罕见的
这位幸运的伤者昏迷了整整四十天后，终于能够开始说"谢谢"。但是他那第一流物理
学家的头脑终究是钝化了，即便如此，当年的诺贝尔物理奖仍是由他荣获，甚至诺贝尔奖
基金会考虑到他的身体原因，第一次打破惯例由瑞典驻苏大使代为宣发。
他的名字叫做列夫?达维多维奇?朗道。他在凝聚态物理中的贡献，仿佛玻尔于量子力
学。
众所周知，复杂的物质形态可以分为三类：气态，液态，固态。凝聚态就是指后面两
者，与粒子物理和核物理不同，它深刻地影响着我们生活的方方面面，从各种常见的金属
，合金到新型的半导体，超导材料，从玻璃，陶瓷到各种聚合物和复合材料，从光学晶体
到各种各种液晶材料都是属于这一范畴。凝聚态物理本身也成为近几十年来发展最为迅速
，门类最为繁复的物理学的重要分支。
凝聚态物理根源于固体物理。早在19世纪，人们就对固体中的晶体结构就颇有研究。
晶体在我们这个世界满眼皆是，漫天飞舞的雪花，常见的食盐，晶莹璀璨的水晶都是晶体
，它们之间的共同特征就是都有着排列齐整的微观结构，这在物理学上被称之为点阵。
1848年，法国物理学家布喇菲就成功地导出了晶体空间的14种排列方式，对应着32种
对称类型，囊括了所有的2000多种晶体。这是在物理学上第一次运用了群的观念。事实上
二十世纪的物理学最重要的物理理论只有两个字，一个是"群"，一个是"场"，不管在粒子
物理，还是在凝聚态物理中都是如此。
1912年德国的劳厄发现了X射线在晶体上的衍射，这不光在固体物理发展史上的一个
里程碑，而且在人类的发展历程中都值得大书一笔。因为人类自此可以通过衍射的花纹观
察到微观物质的结构，在1953年英国的生化学家克里克和沃森通过X射线的衍射推导出著名
的DNA双螺旋结构，揭开了生物的遗传之谜。
紧接着英国物理学家布拉格，汤姆逊的学生，制出了世界上第一台X射线谱仪，一大
批优秀的青年物理学家聚在他门下，包括曾经帮助玻尔验证旧量子论的莫塞莱，他们通过
X射线探知了各种复杂的结构，并且整理出一成套规范的操作流程，为此布拉格获得1915年
的诺贝尔物理奖。
当30年代末卢瑟福谢世之后，布拉格就接任了卡文迪许实验室主任，这是一个倍受注
目的席位。前任卢瑟福曾经率领着实验室中的年青人在核物理的研究上取得过突破性进展
，当时在世界上都是声名赫赫。但布拉格一旦接手，他却把工作重心转移到固体物理中。
很多人对这般轻易地放弃核物理研究的前沿阵地感到不可理解，布拉格微笑地向他们解释
道，在核物理上我们英国人已经教会别人怎么做了，接下去也该干些别的了。
他还大胆支持一些边缘物理学的研究，比如借助X光对蛋白质和DNA等生物大分子结构
的探测，利用战后英国空军废弃的雷达改造成射电望远镜，这都是后来获得诺贝尔奖的课
题。
一些人对研究所不再搞核物理与粒子物理大失所望，但布拉格无疑是极有远见的人物
，英国维多利亚时代的全盛时的风光已经过去，现如今一步步在走下坡路，在需要大笔资
金投注的高能物理上英国是无法与经济发达的美国竞争的，倒不如利用手中的设备另外开
辟一些新的领域。
在布拉格的卓越领导下，他们开展了广义晶体学，电子晶格成象技术，扫描显微镜等
研究，并为今天的如日中天的材料科学的发展奠定了基础。
凝聚态物理的另一个源头就是低温物理。早在1823年，著名的实验物理学家法拉第在
一次氯气实验中就偶然发现密封的试管壁上出现暗绿色的斑点，他试图把试管拔下来，结
果发生了爆炸，双眼都被炸伤。但他也猛然省悟到那绿色的斑点一定就是液化的氯气，只
要加大压强，任何气体都会液化的，而液化的温度通常是极低的，这为人类制造低温创造
了条件。
到1845年的时候，法拉第就已经几乎全部液化了所有的液体，并且制造出一系列低温
库，最低温度达到过-110c，但奇怪的是有六种气体始终液化不了，它们是氧气，氮气，氢
气，一氧化碳，二氧化氮和甲烷。
法拉第之后，人们完善了各项低温设备，并且采取逐级降温和定压气体膨胀的方法把
这最后六种气体也得以液化。1895年英国的化学家从矿石中分离出一种新元素氦气，如果
能把它液化必然又能使温度更加接近绝对零度。
当在荷兰莱顿大学物理实验室担任主任的昂纳斯听到这个消息时，他满有理由相信这
个能液化氦气的第一人一定是自己。
从1882年`昂纳斯刚接手实验室的那一天起，就决定把把实验室的全部研究方向确定
为低温物理。经他十多年的苦心经营之后，该实验室已经在低温方面已经是首屈一指。而
他本人也是公认的低温物理的权威。
昂纳斯也是历史上明了如何创立现代意义上的实验室的第一人。很早他就在莱顿创立
了一所技工学校，专门培养仪器制造工人和玻璃吹制工人，他们都为低温实验室的发展作
出过巨大的贡献。实验还有一个困难就是氦气太贵，而昂纳斯颇有生意人那种精明的头脑
，他通过兄弟的私人关系，直接从矿场买到廉价而纯净的氦，单这一点来说，其他实验室
都是望尘莫及。
条件如此之好，但这一努力下来也是直到1908年7月10日晚上9点才获成功。世界上最
难液化的氦气终于俯首称臣，获得的低温也达到创记录的4K(-269)。昂纳斯终于获得了当
之无愧的"绝对零度"先生的称号，1913年他凭此获得诺贝尔物理奖。
随着低温的获得，昂纳斯发现了一些不可思议的现象。
我们知道，一般金属的电阻都会随着温度的降低而减小，因为金属的导电性全部是由
其中的自由电子带来的，在一般的条件下，自由电子会朝各个方向运动，从而产生电阻。
温度降低之后，这些电子被"稳固"住一些，自然就会规矩多了，电阻也会小了许多。
当时关于低温电阻流行的说法是当温度最终接近0K时，电子就会完全冻结在金属上，
再也不能担负传递电流的任务，从而就会变成无穷大。这种想法是极合逻辑的，但是这不
过是经典物理的延伸，考虑到量子效应的话就远非如此了。
昂纳斯的初衷是想找到一个温度的临界点，过该点之后，电阻将会急剧攀升，这也是
很有意义的事情。谁知道温度降低之后，电阻不但迟迟不见回升，临界点倒是找到了，但
过了以后电阻陡然下降。
为了确认超导态下的金属电阻究竟小到什么程度，昂纳斯设计了一个巧妙的实验，他
降低温度，把一个闭合的铝制线圈置于超导态，然后撤去磁场，观察产生的感生电流。结
果几个小时下去，未见电流有丝毫衰减的迹象，别说几个小时，只怕就算再过几百万年也
未必衰减得完。
昂纳斯在论文中这样惊讶地记述道："在3K附近，金属的电阻就降低到百万分之三欧
姆以下，这几乎就是0，至少找不到和0的差异。"这也是人类第一次观察到著名的超导电性
。
一下子很多人的注意力都被吸引到超导电性方面来了，这是一项极有应用前景的课题
。谁都知道，全球每年单是耗损在导线电阻上的能量就是天文数字，如果常温下的导线是
超导体的话，这些能耗就会减小到零，而且会大大增加各种材料的使用寿命，当真是前途
不可限量。
但是常温下的超导材料，即使在今天还是一个遥远的梦想。当时莱顿实验室的工作人
员拼尽全力，找到的最高超导温度也不过是10K。
具有高临界温度的超导材料不能单凭实验就能解决的，因为超导电性的机理尚不明晓
。当时的量子力学还未出世，人们怎么也想象不到，超导现象就是一种宏观的量子效应。
一直到1933年，长期苦无进展的超导物理才爆出另一个惊人的发现，低温下的超导体
是具有完全抗磁性的，这是著名的迈斯纳效应。
这么多年以来人们只是被超导体的导电性所吸引，居然没人注意到超导体的磁性，也
算是奇事一桩。仿佛一卷画图，人们仅掀开一角，就被作者浩瀚的手笔所吸引，大发议论
之余却没人想到继续摊开观赏下去。
何况当时的超导物理学家的头脑还是受经典物理思想的束缚，很自然的想法便是，随
着温度降低进入超导态，磁场也被冻结到物体内部。
但当迈斯纳刚接触到超导体的磁学性质时，就觉得事情未必那么简单，他和奥克森费
尔合作了一个实验，并于1933年10月发表了一篇简短的论文，这是超导物理学中一篇划时
代的文献。
瓦尔特?迈斯纳出生在德国柏林，原先攻读的专业是机械制造，后来改学物理，并成
为超导物理的一位先驱人物。
象他那样出身工科的物理学家，往往更能注意到一些不为人所注意的细节。而迈斯纳
更能从这些细琐的碎片中想象得到更深的物理内涵，实在是高人一筹。
迈斯纳效应的发现，更使人们对超导体的本质有了更深刻的认识，并为理论物理学家
对超导物理机制的解释奠定了坚实的基础。
最早对超导电性作出解释的德国的弗里茨?伦敦和海因茨?伦敦兄弟二人。
兄弟二人都是第一等的物理学家，而且一个精通理论，一个擅长实验，这在物理学史
上倒是颇为罕见的。
哥哥F伦敦原先所学的专业是哲学，21岁时写出的论文《论纯粹理论认识的形式条件
》就曾受大哲学家罗素等人的交口称赞，后来他师从于索末菲和薛定谔，深得二人真传。
无疑他的研究工作带有很重的哲学色彩，这也使他看问题比一般人都看得深远，有的
直到很多年后回过头再看才能体会到他的远见。比如说，他当年就预言出生物有机体成为
超导体的可能性，这直到八十年代寻找高温超导的热潮中才被被人证实。
F伦敦也是把量子力学引入超导物理的第一人。玻尔对他的评价是，伦敦虽然没能赶
上参与量子力学的创建工作，但他运用量子力学作出了这个时代最出色的工作。
他很早就提出一个惊人的预言：超导体不管体积多大，都可以看成一个大分子，量子
力学的各种效应在这等宏观物体上也是尽显无遗。由此的推论是穿过超导环的磁通量必须
是量子化的，就象玻尔在原子物理中对电子波函数的约定一般，这些在当时都是耸人听闻
的怪理论，但都在十余年后的实验中被证实。
弟弟海因茨?伦敦深受哥哥的影响，善于把用精妙的理论和复杂的实验手段完美地结
合起来。
大凡物理理论，一般来说分为两类，一种是微观理论，就是从本质上对物理现象进行
解释，一种是唯象理论，就是在更深入地了解微观机理之前，用一些简单有效的模型来作
出解释。大多情况下，唯象理论是微观理论的必由之路。
伦敦兄弟提出的唯象理论是：在超导体中存在两类电子，一部分和普通导体的电子并
无差别，另一类则与超导性相关，它们在运动时是不受任何阻碍的。在1935年他们发表的
论文《超导体的电磁学方程》中，就根据这样简单的假设成功地说明了迈斯纳效应。
他们跟着提出著名的伦敦方程：
这在超导物理中的地位如同经典电磁学中的迈克斯伟方程，或者量子力学中的薛定谔
方程，如此精妙的方程建立在简单的唯象模型上，倒也是个奇迹。
据此他们给出重要的预言：超导电流只是在超导体的表面极薄的一层内（厚度大约是
万分之一厘米）存在，不久后他们的预言得到证实。
鉴于伦敦兄弟的巨大成就，从1960年开始，伦敦奖每两年就在国际低温会议上颁发一
次，该奖项至今是低温领域中的最高荣誉。
超导理论中更引起人们关注的是超流现象。早在1911年昂纳斯将氦气液化之后，就发
现这种液体与其他普通的流体性质截然不同。如果把液氦装进一个小烧杯，它就会沿着烧
杯壁慢慢朝上爬，直至溢出。如果你插入一个毛细管，甚至还会形成喷泉。
但是所有的理论物理学家都对此一筹莫展，直到40年代苏联的朗道提出著名的二流体
理论，翻开凝聚态物理新的一页。
朗道于1808年出生于俄国里海附近的石油城巴库，他不仅是苏联最伟大的物理学家，
即使放眼全球，他也是一位不可多得的物理学全才。
朗道自小身体瘦弱，再加上他本身是犹太人，免不了在学校里受同学们的欺负，但他
生就傲性，旁人若是有一句话伤到了自己，便会拍案而起，拳脚相向，就算终因力气不支
被人痛殴，也始终不肯屈服。
他的脾气固然是出奇得大，学习成绩却也是出奇得好，但老师课堂上的讲述是从来不
听的，在朗道眼中世界上配作他老师的只怕没有几人。老师们自然是不喜这个不知天高地
厚的孩子，朗道也乐于被漠视，他倒可以藉此钻研自己的数学。别的孩子还在为几何，代
数而绞尽脑汁的时候，他已经能做微积分的运算了。
在13岁的时候，他就中学毕业，但马上被父亲送到一所经济专科学校。他对经济类的
东西一点也不感兴趣，于是再三争取之下，第二年就转学到巴库大学。
朗道是整所大学年纪最小的学生，却偏偏同时攻读数学和化学两个专业，而且以全优
的成绩毕业。然后他转到列宁格勒大学继续学业，在那里他遇上了苏联几位最有名望的物
理学家，象约飞，弗仑开尔，和几位知己好友，象卡皮查，迦莫夫。
当时的物理学正酝酿着风暴，量子力学也初现端倪，朗道决定了自己终身奋斗的方向
--理论物理。
1929年的时候朗道费劲周折，获准出国，他自然先来到求贤若渴的玻尔研究所。当时
那里是明星聚会，而朗道展现的才气连玻尔也是赞叹不已，要不是他晚来了几年，一定可
以在量子力学的创立过程中大有作为的。但朗道的傲慢自负也令大家暗暗摇头。
一次，爱因斯坦来作报告，完后主持人请大家提出问题。朗道第一个站起来，语惊四
座："爱因斯坦先生讲的东西也许不是那么愚蠢，但是他给出的第二个方程绝对不能由原始
条件推理`而来，应该加上一条新的假设……"
周围的人都无不耸动，自从爱因斯坦成名以来，天下只怕还没人敢以这种口吻和他讲
过话。
倒是爱因斯坦歪头沉思一会后，微微一笑道："年青人，你说的很有道理。诸位大可
以把我今天讲的全部忘掉。"
在玻尔的讨论班上，他一度是最具活力的人物，没有他的话讨论班的很多成果都要不
免大打折扣。而胖子泡利在研究所纵横多年之后终于遇到了对手，只要他们二人一争辩起
来那也不是一两个小时能说的清，道得明的。
朗道在这里却也找到了终身景仰的人，那就是玻尔。这倒不是因为玻尔为人谦逊，待
下亲厚，朗道对个人品性一节向来瞧得极淡，但玻尔那种能地从纷繁的现象中抽象出物理
本质的直觉，令他大为折服。在外人面前他一般不提自己的授业导师，却每每自称是玻尔
的弟子，虽然他仅在玻尔研究所工作了四个月。
其实，玻尔的嫡传弟子虽然为数不少，但继承他那种惊人的直觉本领却只被朗道继承
了下来。 当朗道在40年代面对液氦的超流这等难题时，就也能象玻尔当年面对同样复杂的
原子结构问题一般，单凭直觉就找到一条其他人想也不敢想的路子，若说有多么严密的逻
辑推理倒也谈不上，但这条路却是唯一正确的。
他在实验基础还很不充分的背景下，就提出著名的元激发假设：超流液体有一个临界
的流动速度，当它低于此速度时可以无阻碍的任意流动，高时则会受阻。这个临界速度就
跟容器壁和液体相互作用时激发的最小能量有关。这个最小能量就是元激发。
在这里朗道第一个在凝聚态物理中引入了声子的概念来说明元激发。所谓声子，就是
液体声波场的量子。
到今天，元激发已经成为整个凝聚态物理最基本的概念，人们不仅找到了声子，旋子
，准粒子，还有极化子，磁子，孤立子，相子等等。在各种不同的系统中寻找各种元激发
已经是凝聚态物理的首要任务。
当然朗道对物理学的贡献远不仅于此。在他五十岁寿辰的时候，世界各地的物理学家
纷纷送来了贺礼，但他的同事们送来的礼品最是合他的心意。
那是两块青石板，上面刻写的是朗道在物理学中作出来的十项重要贡献：量子力学的
密度矩阵和统计物理，自由电子的抗磁性量子理论，二极相变，铁磁铁的磁畴理论，原子
核物理的概率问题，液氦的超流，基本粒子的电荷约束，费米液体的量子理论，弱相互作
用中的复合反演理论。
这就是著名的"朗道十诫"，模式是仿照圣经中摩西代天主说出的十条戒律。摩西是远
古时代的以色列人杰出的领袖，他曾率众历尽千辛走出埃及，在苏联物理学家的心目中，
只怕唯有朗道才有摩西那般天赋的气魄和才干。
朗道对物理学的贡献还远不止这些，譬如重要的元激发概念就未能入选，但仅这十条
就可见朗道涉足的领域遍布凝聚态物理，粒子物理，核物理这些物理学的重要分支，就这
一点来说整个二十世纪也就只有杨振宁和费曼能相媲美。
朗道也深深影响了苏联物理学界的一代学风。他自己的数学功底极为扎实，却较少在
成果中显现，因他走的是玻尔的路子，更喜用简单但深刻的物理模型来说明问题。
但他对学生数学的要求竟是极严，凡他门下的弟子，每人都要准备上一大摞厚厚的本
子，象小学生一般工工整整地作上几千道繁难的数学题。临毕业之前，还须经过他亲自出
题考核。这些考题涉及到理论物理学的方方面面，其中的数学已经困难到夸张的地步，偏
偏还不许查书，题量又是极大，很多人一看到卷子就被吓得面无人色。
在朗道几十年的执教生涯，总共也只有四十余人闯过此关，这四十余人后来都是苏联
物理学界的中坚力量。所有学物理的人莫不视朗道的考试为畏途，一个新名词"朗道位垒"
应运而生，这是借用物理学的一个术语，只有那些能量极高的粒子才能穿过"位垒"到达一
个新的区域。
朗道对他的弟子教导极是悉心，但许多人还是很难掌握他那种跨度极大的推理方法。
对于一种复杂的物理现象，朗道看一眼就能"蒙"出公式，旁人却大多如坠云里雾中。
后来朗道在黑板上方悬挂了一幅油画，上面画的是蓝天白云之下，一牧人悠闲地吹着
风笛，羊群则低着头恬静地吃草。大家怎么也不懂这是什么意思，直到毕业聚会上，一个
学生才怯怯地向朗道提出这个问题，朗道莞尔一笑："那吹风笛的牧人么，是我，那羊群么
，自然就是你们，我上课讲的东西反正你们也理解不了，不就象这羊群一般么？"学生赧然
退下。
不管朗道如何狂狷倨傲，目中无人，每一个学生却都是对他极为尊敬。朗道自己亲自
撰写过一整套理论物理学，虽然带有俄国人特有的繁琐，但若能潜下心读完，物理学的功
底也会打得极牢。这套教材已经成为理论物理的标准教材，朗道的学生在此上都是受益匪
浅。
朗道分外地强调数学，这初看上去似乎过于罗嗦，甚至会模糊了物理的本质，但这正
是朗道高明的地方，直觉和悟性只怕当真是神人天授，教是万万教不出的，倒不如老老实
实扎好根基，他日逢遇机缘，大有作为也是情理之中。
苏联的理论物理学家大多师承朗道，风格和美国，西欧的大是不同，西方的那些研究
人员大可以在咖啡馆里面畅所欲言，捕捉片刻的灵感，而苏联的同行们往往拘于一室，皓
首穷经，但几十年下来，倒是苏联方面的成果胜上一筹，只不过当时美苏对峙，苏联方面
很多重要的论文只是在国内发表一下了事，从不拿到国际上和西方的物理学家交流，是以
很多理论都被挂上了欧美人的头衔，但苏联人的在物理学上的实力都是有口皆碑的。
朗道虽然事业辉煌，一生却是磨难重重，小时侯几次重病都差点让他见了上帝，年轻
时游历欧洲回来后又莫名其妙地背上间谍的罪名，险些被终身流放在西伯利亚，在好友的
全力帮助之下总算洗脱罪名，结果回到内地后又与当时的学界权威因脾性不合而屡遭排挤
，及至名望日升的时候，却遭遇车祸，使他再也不能从事理论物理的工作。
1962年卧病在床的朗道得知自己被授予诺贝尔物理奖，倒是大出他意料之外，诺贝尔
奖一向为西方所把持，一个苏联人要想折桂那是难上加难，何况他生性高傲，国外的那些
大家和他大多交情泛泛，言语之中只怕还得罪过不少人，但他没有想到，也正是这些人没
有计较民族和个人的偏见，仗理直言，将他送上了诺贝尔奖的领奖台。
作为一个普通人朗道的生命又延续了几年，无疑最后的日子对朗道来说是极为痛苦的
，生理上的病痛倒还在其次，不能继续在心爱的物理学中跋涉才是最让他不能忍受的，但
他在外人面前显得很是轻松潇洒，逝世之前面对众多神色忧戚的学生和朋友最后说的一句
话是："老天待我真是不薄，我这一生总是万事顺利
