万物理论外文翻译资料

万物理论

原文作者 R. B. Laughlin（*） and David Pines（dagger;， Dagger;，sect;）

单位 * Department of Physics, Stanford University, Stanford, CA 94305；dagger; Institute for Complex Adaptive Matter, University of California Office of the President,Oakland, CA 94607；Dagger; Science and Technology Center for Superconductivity, University of Illinois, Urbana, IL 61801；sect; Los Alamos Neutron Science Center Division, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545

摘要：我们讨论了对问题的认识进展，广义的解释，以及他们对当代研究基础物理中的意义。

关键词：非相对论量子力学方程； 超导超流； 真空态；万物理论；

万物理论是一个终极理论术语------一组能够描述已经观测到的或会被观测到的所有现象的方程（1）。它是古希腊人还原论理想的现代化身，是自然世界的一种方法，这种方法在使许多人变得更好方面是非常成功的，并继续在许多人的心目中的物理中心范式。这个想法的一个特例也是他的一个漂亮的实例，是常规的非相对论方程量子力学方程，他描述人类的日常生活的世界------空气，水，岩石，火，人，等等。这个方程的细节相比于事实不是那么重要，他可以被简单的写下来且完全由少数已知量指定：电子的电荷和质量，原子核的电荷和质量以及普朗克常数。权威的写法为

（1）

（2）

符号是原子序数，是第阿尔法个原子核的质量，是原子核的位置，和分别是电子的电荷和质量，是第j个电子的位置，是普朗克常量。

在宇宙中不立即变化的东西，比如木星，核裂变，太阳，或空间中元素的同位素丰度不是由这个方程描述，因为重要的自然力，如重力和核相互作用，正在消失。除了很容易被包括的光和可能的重力，这些消失的部分与人类的宏观尺度无关。对于所有实际的目的，方程1和2是我们日常世界的万物理论。

然而，浏览这个列表可以明显看出，万物理论并不是解决所有事情的一个理论（2）。我们知道这个方程是正确的，因为它已经精确地解决了少量颗粒数（孤立原子和小分子）并被发现与实验中小细节一致（3-5）。然而，当粒子数超过10时，它不能精确地求解。现在存在的电脑没有一个可以打破这个障碍，它或许将永远存在，因为它是维数的突变。如果计算机的内存量要求代表一个粒子的量子波函数N，然后要求代表第K个粒子的波函数的量为。这使得对更大的系统进行近似计算成为可能，正是通过这样的计算，我们已经得知为什么原子有他们应该有的大小，原子键为什么有他们应该有的长度和强度，为什么固体物质有它的弹性性质，为什么有些东西是透明的，其他的东西反射和吸收光（6）。随着更多的实验一点点输入作为指导，它甚至可以预测小分子的原子结构，简单的化学反应速率，结构相变，铁磁性，有时甚至是超导相变温度（7）。但近似方案不是第一性原理的结论，而更可以说是与艺术相关的实验，当需要可靠性时，往往是最不可靠的。举个例子，当实验的信息稀缺时，物理行为没有先例时，关键问题尚未确定时。那里有很多所谓的从ab开始计算的著名的失败方法，包括的液体相图与高温超导的整个现象学(8–10)。从这些方程来预测蛋白质的功能或人类大脑的行为明显是荒谬的。所以希腊人还原论的胜利是一种得不偿失的胜利：我们成功将普通的物理特性简化为一种简单正确的万物理论，只为发现他揭示究竟什么是最重要的事情。

鉴于这一事实，他击中一个思考的人作为怪人，出现在等式中的参数、、可能可以在涉及大量颗粒的实验室实验中精确测量。举个例子，电荷可以被精确地测量，通过使电流通过电化学电池、电镀金属原子、通过已知的X射线衍射来测量质量的沉积与晶体中原子的间隔（11）。在超导环中进行简单的电气测量决定高精度的福克斯磁性量子的数量（11），这种现象的一个变形可以在超流氢中看到，在那里耦合电磁式是不相关的（12)。在半导体的量子霍尔区域进行四点电导测量可以准确决定的数量（13）。由超导产生的磁性区域可以测量机械旋转（14、15）。这些都是相当清楚地事实，然而，他们不能直接从万物理论中推导出来，因为精确的结果不能由近似计算来预测。这一点仍然不被很多职业物理学家所理解，那些人发现更容易去相信一个演绎的链接存在并且只有被发现，而不是面对毫无链接的现实。尽管如此他是真实的。对这种工作的实验，因为在本质上自然界存在更高的使他们工作的组织原则。约瑟夫森量子效应是准确的，因为连续对称性破缺的原理（16）。量子霍尔效应是准确的，因为局域化（17）。这些东西没有哪一个可以从微观中推导出来，所有的东西都是超然的。即使万物理论改变，它们仍然是正确地，且具有确定的结果。因此，这些效应的存在是极为重要的，它告诉我们，在自然界至少有一些根本的东西与万物理论不相关。PW安德森著名的和恰当的描述事务状态是更多的是不同的（2）。

通过较高的组织原则所规定的自然发生的物理现象有一个属性，即它们对于微观是不敏感的。这与在深层意义“什么是可知”的广泛问题直接相关。举个例子，常规的超导体的低能量激发光谱是完全通用的且可用极少数参数来表征，可通过实验确定，但在一般情况下，不能从第一性原理计算得出。一个更简单的例子是常规的结晶绝缘体的低能量激发光谱，其中包括横向和纵向的声音，不管细节的话，没有别的。这是相当明显的，一个不需要证明在固体中存在声音，因为在很长的长度尺度中，他是由于弹性模量的存在。反过来，他来自于平移的自发破缺和结晶状态的旋转对称特征（16）。相反，通过声学测量结晶固体的原子结构，所能学到的很少。

晶态是量子保护的最简单的公知的例子，一个物质稳定的状态，其通用的低能量属性由更高的组织原则决定而不是由其他的。有许多这样的，经典的原型有朗道费米液体，物质的状态由常规的金属和常态的为代表（18）。朗道意识到明确定义的费米准粒子在费米表面的存在是这样微观细节独立的系统的通用性质。他最终将其抽象为更一般的想法：低能元激发谱是通用的和物质稳定状态不同的特性。其他重要的量子保护包括玻色液体的超流，如和新发现的原子冷凝（19-21），超导（22，,23），绝缘带（24），铁磁效应（25），反铁磁效应（26），量子霍尔态（27）.这些系统的低能量激发量子态是完全相同的粒子，在量子电动力学的真空中电子是微粒：他们带有动量、能量、自旋和电荷，根据简单的规则彼此可以相互区分，服从费米还是玻色统计取决于其性质，在一些情况下甚至是相对论效应的，由狄拉克和克莱因 - 戈登方程在低能量尺度定量描述。然而他们不是基础的，作为有声音的情况下，在他们所在的物质稳定状态的环境之外不可能存在。这些量子保护，与他们相关的自发行为，为我们提供了明确的示范。基本的微观理论可以很容易地没有可测量的后果，在任何低能状态。基本理论的本质是不可知的，直到提高能量规模足以使他逃出保护。

到目前为止，我们已经解决了物质在较低能量的行为。但是，为什么宇宙有任何不同呢？时空的真空态有一些属性（相对性，重整化，计量力，分数量子数），普通物质不具备，而事物的这种状态被认为是非凡的东西，组成宇宙的与实验室里我们所看到的不相同（28）。但这是不正确的。自从1970年代早期，我们已经知道在普通物质或稳定的量子相中重整化是自发的性质，例如超导状态，以及在特定的零温相，一些叫做量子临界点的状态之间相互转化（29，,30).在这两种情况下的低能量激发光谱变得越来越通用,对于微观细节越来越不敏感，作为测量的能量规模被降低，在低能量的限制下，所有佐证微观方程消失了。量子临界点的自发重整化在形式上等同于标准模型的基本粒子，一直到具体的那句相关方向曾用于描述存在的可测量重整化。至少在一些情况下，有被认为是自发的相对性原理（29,30）。在标准模型奇怪的媒介之外，在实验上也有类似物。粒子携带分数量子数和计量力，在量子霍尔效应粒子发生自发的现象（17）。希格斯机制本生不具有什么，但在一些技术修改的超导中（31），狄拉克费米子，CP的自发破缺和拓扑缺陷都发生在超流的低能量光谱。

宇宙是否接近于一个量子点在一种或者其他方式都未知，为一个重整化的物理盲区到潜在的微观作为一个物质的原则，当只有在低能量测量成为可能。但是正是确定的这点。在很多部分这是一个信念，宇宙的重整化在万物理论潜在的微观中是一个约束，而不是一个什么都不是的自发性质，而是不可证伪的信仰。但是接近量子临界点证明结果对这一行为有关，通过测量长的波长的声音来推算固体原子的结构是不可能的。所以，通过目前我们所掌握的实验工具来确定宇宙的微观基础是不可能的。标准模型和基于概念的模型将什么都不是，低能行为可以用优雅的数学现象描述，直到实验或观察可以进行落在有效区域之外。很少可以从万物理论推断潜在的微观现象。大爆炸宇宙学很容易受到同样的批评。对于剧烈高温现象不熟悉的人，可以通过研究爆炸从方程1和2推断出什么。因为他们是不稳定的，从一个实验到下一个实验是不可预测的（35,36）。早起宇宙不存在此问题的假设，不被任何事情证明是有道理的，除了一厢情愿外。他很可能证明宇宙大爆炸是最后的一个自发现象。最近在星系压缩中发现的大型结构与发泡胶，爆米花，膨化或谷物结构相似，这一点是不能被忽略的（37,38）。

自组织和保护没有固有的量子现象。他们出现在这样的系统中，温度和测量的频率尺度是如此之高以至于量子效应不被观察到。事实上临界指数的第一个实验测量是在经典的液体制成接近其液体 - 蒸气临界点（39）。好的例子呈现的自发结晶通过由放置在一个浅碗滚珠轴承完成，发射涡旋由飞机翼产生（40），有限温铁磁性，液晶中有序的现象（41），胶束膜的自发形成（42）。直到今天，重整化群的最佳实验确认来自于有限的温度临界点测量（43）。在量子系统的情况下，这些经典的系统具有低频动态特性，他们由准则和独立的微观细节规定（44,45）。古典受保护的存在提出了一种可能性，这种原则甚至可能是在生物学起作用（46）。

从量子和经典保护的观察中学到了什么？首先，这些被自然规则所管理。实际上，这意味着如果你被所在哈密顿量系统的空间中，在目前的实验中无法测出规则，理论和实验之间的结合。其次，人们可以按照各自的想法来解释我们已经提到了受保护的行为随着历史的演变。在固体物理学，实验可用的工具主要是长波长，以至于需要使用完整地原子晶格来推断其规则。不完美总是存在的，但是一次又一次，对于自发规则的基本认识必须直到材料变得足够的不完美。传统的超导，对于非磁性杂志的超导不具有明显地干扰，提供了一个有趣的反例。一般来说，他需要花很长的时间来建立，那里有更高的组织原则导致量子受保护。原因部分是来自材料和实验提供的间接信息，来巩固这个信息的难度，包括投掷出的实验结果，这些实验被完美的执行，但提供对特定样品的微小的细节信息，而不是适用于所有的样品的全球原则。

一些受保护体有原型，其微观的逻辑路径至少是可以辨别的。这有助于以保护作为任务来建立的可能性。但我们现在明白，这并非总是如此。举个例子，超流氦3，重费米金属，在铜氧化物超导体中所有连接的痕迹都消失了，什么都没留下，除了低能原则本身。这个问题会更加严重，当自组织原则为自发行为负责时。当多于一种有序时，该系统基于微妙的决定如何做，而这些往往超出我们的理解。一个人怎么去区别这样的竞争，作为一个存在的例子，在铜氧化物超导体中或者一种lsquo;乱rsquo;。物理的历史已经显示，较高的组织原则在极限条件下被最好的确定，在那里竞争被禁止。重要的突破经常与这种限制的偶然发现有关。事实上，人们可能会问，如果没有当年的氢原子，量子力学定律是否会被发现。这些法则就如甲烷分子一样真实，同样也很简单，但他们的表现是复杂的。

这个事实是在现代科学本质上的凄美评论。这个事实是较高的组织原则所发挥的基本作用决定自发行为，仍然被许多物理学家所否定。对于固体物理学家和化学家，他们学习过量子力学，每天在不可预知的电子现象的情况下处理它，如有机凝胶（47），近藤绝缘子（48），铜氧超导物，这些原则的存在是如此明显以至于不被经常谈到。然而，对于其他的科学家，这个想法被认为是危险的，可笑的，在很多物理的还原论信仰中，他们从根本上就存在分歧。这源于承认只有一个喜欢的事实与科学根本不相容的。迟早要被历史的势力一扫而空。

对于生物学家，进化和自发现象是日常生活的一部分。另一方面，对于许多物理学家来说，从还原论方法中过度不是一件容易的事，而从长远来看，证明非常令人满意。除其他事项外，生活中自发现象意味着集中告诉我们哪个实验是候选方案，一个给定的系统的表现，在尝试探索任何特定模型的后果之前。这与必须还原论形成鲜明的对比，这就要求我们不在使用实验。它的目的是从最终的实验方程没有欺诈的构建演绎路径。但是，这是不合理的，当有问题的行为是自发时，更高的组织原则-----基于模型的核心物理概念------将必须是从根本的方程推导，在一般情况下，这是不可能的。否认这种不合理的物理约束是走向基本发现的第一步。在我们所处的物理学时代，没有问题已经获得更多的关注，具体成功的方式比铜氧超导物还少。其超导性是偶然发现的，并且其性能，特别是在欠掺杂区域，不断的有惊喜出现（49，,50）。随着高温超导界已经学会了它的悲伤，怎么从微观中演绎还没被解释，恐怕不能作为一个原则问题解释。丰富的交叉行为在低掺杂的正常态中发现。在最佳掺杂时，高超导转变温度不明显。反常的高转变温度仍然是固体物理学最重要的问题，也可能是一般的物理问题中，因为这种丰富的行为极有可能是从根本上前所未有的新的量子

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