杜克大学博士后Sho Yaida解开了长达30年的关于低温下玻璃和“无序”材料性质的谜团。研究表明，它们实际上可能是一种新的物质状态。图片来源:Sasha Taylor
放大一个晶体，你会发现一个有序的原子阵列，均匀地排列，就像帝国大厦的窗户一样。但放大一块玻璃，画面看起来有点乱——更像一堆随机的沙子，或者可能是一扇窗户弗兰克·盖里建筑。
晶体高度有序的性质使得它们在数学上相当容易理解，物理学家已经发展出了捕捉各种晶体性质的理论，从它们如何吸收热量到它们破裂时会发生什么。
但对于玻璃状、无定形或其他“无序”材料，如窗户和花瓶上的玻璃、冷冻食品和某些塑料，就不能这样说了。目前还没有被广泛认同的理论来解释它们的物理行为。
近30年来，物理学家一直在争论无序材料理论模型中存在的神秘相变是否也存在于现实生活中的眼镜中。借助一些从粒子物理学借来的数学魔法——加上几十页的代数计算，全部都是手工完成的——的帮助杜克大学博士后Sho Yaida解开了这个谜团。
Yaida的见解打开了一种可能性，即某些类型的玻璃可能在低温下以一种新的物质状态存在，影响它们对热、声音和压力的反应，以及它们如何和何时破裂。
杜克大学化学副教授、亚伊达的导师帕特里克·夏博诺(Patrick Charbonneau)说:“我们发现了转变的迹象，但我们不敢说这是转变的证据，因为部分社区认为它不可能存在。”“Sho展示的是，它是可以存在的。”
夏博诺说，尽管这看起来令人难以置信，但如果假设这些物质存在于一个假设的无限维宇宙中，眼镜和其他无序系统背后的数学问题实际上更容易解决。在无限维度中，它们的性质可以相对容易地计算出来——就像我们三维宇宙中计算晶体的性质一样。
“问题是这个模型是否与现实世界有任何关联。”夏博诺说。他说，对于进行这些计算的研究人员来说，“赌的是，当你改变维度时，事物的变化足够慢，你可以看到它们从无限个维度到三个维度是如何变化的。”
这些无限维计算的一个特点是相变的存在——以先驱物理学家伊丽莎白·加德纳的名字命名的“加德纳相变”——如果存在于玻璃中，就会在低温下显著改变它们的性能。
但是，这种明显存在于无限维度中的相变，是否也存在于三维维度中呢?早在20世纪80年代，一组物理学家通过数学计算证明，不可能。三十年来，主流观点仍然认为，这种转变虽然理论上有趣，但与现实世界无关。
直到最近夏博诺和其他人的实验和模拟开始在三维眼镜中显示这一点。
Charbonneau说:“研究这个问题的新动力是，当研究玻璃形成的问题时，他们发现了一个与这些研究中出现的非常相似的转变。”“在这种情况下，它可以有重要的材料应用。”
有粒子物理学背景的Yaida重新审视了以前的数学证明。这些计算未能在三维空间中找到“不动点”，而这是相变存在的先决条件。但如果他再进一步计算，他想，答案可能会改变。
经过一个月30页的计算，他终于如愿以偿。
“像这样的时刻就是我从事科学的原因，”亚田说。“这只是一个点，但对这个领域的人来说意味着很多。这表明，人们在70年代和80年代发现的这种奇异的东西确实与这个三维世界有物理关联。”
经过一年的反复检查，加上另外60多页的支持计算，结果于5月26日发表物理评论快报．
Charbonneau说:“事实上，这种转变可能存在于三维空间中，这意味着我们可以开始认真地寻找它。”“它影响着声音的传播方式、吸收热量的多少以及信息的传输。如果你开始剪切玻璃，它会如何屈服，如何破碎。”
他说:“它深刻地改变了我们对一般非晶材料的理解，无论是非晶塑料、成堆的沙子还是窗户玻璃。”
这项研究得到了来自西蒙斯基金会．
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