物理

[物理史] 熱赫曼(Sophie Germain)建構了彈性曲面的理論

熱赫曼(Sophie Germain)建構了彈性曲面的理論
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
(譯自APS News,2004年5月)

熱赫曼(Sophie Germain)是在數學和物理史上未受公平對待,而較不為人知的人物。雖然缺乏正式的教育與訓練,但她是少數在數學和物理方面都做出重要貢獻的女性。熱赫曼於 1776 年 4 月 1 日出生於巴黎,父親是位商人,最終成了法國銀行的總經理。

熱赫曼自幼即對數學感興趣,有一天在瀏覽父親的圖書館時,看到了希臘數學家阿基米得(Archimedes)遇刺的經過。傳說當羅馬軍隊入侵阿基米得的家鄉夕拉庫沙(Syracuse)時,他正全神貫注於一個幾何圖形的研究,所以沒有回應士兵的詢問,而遭隨意刺死。年輕的熱赫曼下結論說,假如有人能如此著迷於一個幾何問題的話,它必是世上最迷人的科目了。

單位革新:重新定義公斤

單位革新:重新定義公斤
蘇建翰

今年剛過去的5月20日是一年一度的世界計量日,聽起來似乎和自己沒什麼關係?先別走開,計量學裡的單位對於每個人的生活可說是相當重要。

「世界計量日」紀念著一百四十年多前簽定的《米制公約》(Metre Convention, 1875),自那時起逐漸確立了國際統一的度量衡系統。2019年世界計量日打出的口號是「基礎更為穩固的國際單位制」(“The International System of Units – Fundamentally better”),之所以說是「基礎」,是因為從這一天起,幾個基本單位的新式定義就正式上路了。

2019年諾貝爾物理學獎得主——詹姆士.皮伯斯(James Peebles)

2019年諾貝爾物理學獎得主——詹姆士.皮伯斯(James Peebles)
陳暉航

「宇宙。上下四方曰宇,往古來今曰宙。」,那麼宇是無垠,宙又是永恆嗎﹖現在我們知道,以大霹靂模型來說,宇宙存在起點,也就是宇宙有其年齡。宇宙學家皮伯斯從1960年代中期開始,為大霹靂、宇宙微波背景、暗物質、暗能量等做了眾多的理論架構,從而得以建造宇宙結構,為宇宙學奠定研究基礎,讓一個高度猜想性的領域成為一門精密的科學!

宇宙學的濫觴

1940年代,阿爾法(Ralph Alpher)、赫爾曼(Robert Herman)及伽莫夫(George Gamow)共同為大霹靂建立粗略的模型,其主要動機為解釋元素的起源。

ν =5/2 & 7/2,分數量子霍爾態與向列相,從拓樸序到自發對稱性破壞

ν =5/2 & 7/2,分數量子霍爾態與向列相,從拓樸序到自發對稱性破壞
蕭維翰

實驗上已經觀察到在半導體中 ν=5/2 & 7/2 不僅僅可以是量子霍爾態,還可以透過改變壓力產生的相變化,自發地破壞旋轉對稱性。

Figure1. (Photo credit: 作者自繪) 根據文獻 [3],在增加的壓力下,原本的量子霍爾態會先變成向列態最後變成一般的費米液體。

前陣子讀者曾撰寫了一系列關於量子霍爾效應(Hall effect)的文章,其中有數篇討論了 \(\displaystyle \nu=\frac{5}{2}\) 的基態該是什麼:究竟是 Pfaffian, anti-Pfaffin, 還是 PH-Pfaffian,或者都不是等等。即便在理論上這個議題依舊懸而未決,這幾年的實驗進展卻沒有給理論學家喘息的空間,反之,越來越多的新發現讓分數量子霍爾效應所牽涉的物理更加豐富,也讓學者們困惑同時又嚮往。

Hubbard 模型(五):自旋液體與價鍵固體

Hubbard 模型(五):自旋液體與價鍵固體
蕭維翰

圖一

在本系列的前面幾篇文章中我們透過一些盡可能簡單的物理直覺跟讀者說明在 Hubbard 模型中可能的物理機制,並透過一些很簡單的圖畫搭配簡單計算來跟讀者們闡述這些跳來跳去的自旋怎麼能夠偏愛反鐵磁(antiferromagnetism)的組態或者在某些狀況下偏好鐵磁性(ferromagnetism)的組態。

Hubbard 模型(四):費米 Hubbard 模型:簡單的解析事實(下)

Hubbard 模型(四):費米 Hubbard 模型:簡單的解析事實(下)
蕭維翰

緊接著上文,我們在此介紹費米 Hubbard 模型中怎麼產生鐵磁性。

圖一

前文中我們定義了費米 Hubbard 模型,並花了一點空間討論當躍遷常數 t 與交互作用 U 都不為零,但後者遠大於前者的時候,透過一個二階的量子過程,半填滿的晶格在能量上會偏好相鄰的兩個費米子擁有反向的自旋,這構成了「反鐵磁性」(antiferromagnetism)的可能性。

事實上,這個物理直覺約略是正確了,但僅僅兩個節點,一般而言不太能給我們精確的「物質相」預測,因為後者往往是定義在熱力學極限(thermodynamic limit),意指在系統自由度趨近無限大的時候。

Hubbard 模型(三):費米 Hubbard 模型:簡單的解析事實(上)

Hubbard 模型(三):費米 Hubbard 模型:簡單的解析事實(上)
蕭維翰

我們首先介紹在費米 Hubbard 模型中一些可由直覺跟解析解理解的事實。

Figure1. (photo credit: 作者自繪) 由於不相容原理,當系統沒有躍遷能力的時候,費米 Hubbard 模型最低能量的組合便是盡可能地讓每個粒子都佔有一個晶格點。

經歷了前面兩篇暖身,有忍住讀完的讀者們應該稍微對 Hubbard 模型有了基本的了解。本文中我們繼續考慮類似的模型,但在這裡我們把粒子們換成費米子。

費米子與玻色子的根本差異在於前者遵守庖立不相容原理(Pauli Exclusion Principle),一個系統內不會有兩個具有一模一樣量子數的費米子,這也將大大的影響我們對基態物質相的分析。

Hubbard 模型(二):玻色 Hubbard 模型

Hubbard 模型(二):玻色 Hubbard 模型
蕭維翰

簡單的玻色 Hubbard 模型,在 2 維空間中提供我們了解莫特絕緣體與超流體間的相變化。

希望筆者在前文中或多或少給了一點理由讓大家一起來賞玩原本只屬於一部分物理學家們的玩具。現在開始我們進入正題來探討 Hubbard 模型家族中的幾個知名典範。明確的說,首先我們討論在二維空間中正方晶格(square lattice)上的玻色子版本 Hubbard 模型(Bosonic Hubbard Model)[1,2]。

Hubbard 模型(ㄧ):動機與定義

Hubbard 模型(ㄧ):動機與定義
蕭維翰

我們將利用一個系列文跟大家介紹一個在凝態物理中很重要的模型家族。

前兩篇文章跟讀者定性地講述了在討論金屬性質時,大家所謂的典範式的蘭道理論是什麼意思。筆者預計再花至少一兩篇文章聊聊現在當紅的「怪金屬」(Strange metal)和「壞金屬」(bad metal),探討它們與正常金屬的差異,並盡筆者能力所及跟大家說明背後的原因。

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