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凝態物理:從半導體、磁浮列車到量子電腦,看穿隱藏在現代科技背後的混沌、秩序與魔法
- 作者:菲利克斯.福立克(Felix Flicker)
- 出版社:貓頭鷹出版社
- 出版日期:2024-10-22
- 定價:550元
- 優惠價:79折 435元
- 優惠截止日:2025年1月5日止
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內容簡介
'你知道嗎?
冰晶形成、LED發光,甚至最近掀起熱潮的半導體運算
都與凝態物理有關!
◎認識凝態物理的第一本書
想像按一下鈕,就能讓一塊水晶發光,又或者敲一下水晶,就能產生火花——這可不是奇幻小說的情節,現實世界裡,這些現象就是常用的LED燈還有火鍋店裡的打火槍。要了解這些特性從何而來,首先必須了解什麼是凝態物理。
凝態物理:從平凡物質中迸出的奇妙特性
我們所見的世界由小至原子、電子,甚至夸克等等的粒子所組成,當這些粒子凝聚起來,有時會產生一些從單一粒子角度難以解釋的現象。凝態物理,就是聚焦在這樣的微觀與巨觀世界之間,有如魔域的介觀世界,試圖去解釋粒子與環境如何互動,又為何會有這麼多特性產生。
什麼是凝態物理?
凝態物理關心的,包括以下這些現象:
相變:冰晶是怎麼產生的,雪花為什麼會形成我們所知的六角形狀?為什麼磁鐵加熱後磁力會變弱甚至消失?
晶體結構:為什麼按下打火槍的按鈕就會有火花產生?矽在半導體產業為何如此重要?
超導電性:為了讓磁浮列車真正有效率、找到更加有效率的電力傳輸方式,常溫超導體變成了近年科學家不斷追求的聖杯。但為什麼現在超導體的研究方向都轉向陶瓷(金屬與非金屬物質的混和物)而不是傳統金屬導體?
量子纏結:量子電腦號稱可以做到更高效的運算,為什麼至今發展卻難以規模化?
在凝態物理的世界,磁性會突然發生,液體會從容器中出走,水晶會發光……本書由英國物理學家帶路,從凝態物理的基礎開始,以各式精巧的比喻與故事說明超導體、雷射、自旋冰等等現象的產生。最後更介紹凝態物理在未來量子運算、超導體中帶來的展望。
走讀書中一個個有趣的科學故事,很佩服作者的用心與魅力,相信任何對科學感興趣的讀者,都能在這本書裡找到一個迷人的魔幻世界。
——林秀豪/清華大學物理系特聘教授
一本從純真的好奇出發,再佐以狂野的想像的書。在凝態物理這課題上,可以和諾貝爾獎得主 Giorgio Parisi 的近作《無序之美》合讀,將視野更擴大到 Parisi 的個人感想(雖然已極豐美)之外,饒富趣味。
——梁國淦/台灣大學物理系專案助理教授
專業推薦
林秀豪 清華大學物理系特聘教授
泛科學
梁國淦 台灣大學物理系專案助理教授
陳義裕 台灣大學物理系特聘教授
目錄
第一章 泥土物理
介觀世界——巨觀與微觀之間的神奇地帶。
第二章 四元素
多少粒沙才算是沙堆?用超臨界水泡茶會發生什麼事?
第三章 晶體的魔力
發電的石英與方解石隱形斗篷,都是因為對稱的晶體。
第四章 思索火之驅動力
介觀世界熱力學——如何殺死馬克士威的惡魔?
第五章 在熟悉的原野之外
量子物理並沒有讓世界變得更魔幻,世界本來就魔幻。量子物理只是它的最簡潔描述。
第六章 離合咒
當半導體的極限將近,磁力運算或許是新方向,但過程就像把人鋸成兩半的魔術。
第七章 庇護咒
凝態是量子計算困難的來源:量子會互相影響!
第八章 追尋賢者之石
永不衰減的電流與磁浮夢想,來自目前理論難以解釋的超導現象。
第九章 無盡展望
量子電腦能夠模擬整個宇宙嗎?
延伸內容
《凝態物理》── 魔法與物理的交織
林秀豪/清華大學物理學系特聘教授
喜歡科普的讀者,對於天文、宇宙學、粒子物理應該不陌生,畢竟滿空星斗燦爛耀眼,黑洞奧妙迷人,而粒子動物園內的珍禽異獸更是令人眼花撩亂。但說到物理最大的次領域凝態物理,多數人可能就抓不到頭緒了。
凝態物理,聽起來像是門冷冰冰的科學,但作者慧眼獨具,像魔法般將之轉化,變成了一場又一場神秘又奇幻的冒險。整本書以黑暗洞穴中的晶石照明開場,揭示這個「晶石」就是日常生活的LED,讓人恍然大悟,現代科技在過去就如不可思議的神奇魔法。跟隨著巫師法瑞安的探險,透過自然界的物質與現象,逐步發覺隱藏其後的規律,一步步揭開物質的神秘面紗。在這樣的視角下,物理學家成為了現代的巫師,讓讀者仿佛身處在充滿魔法的奇幻世界中。這樣的寫作手法讓科學家服氣,也讓讀者輕鬆了解日常物理現象背後的原理,生動有趣又富有深刻的啟發性。
書中最引人深思的核心概念,就在於「整體要比各個部分的總和,來得更為深奧。」也就是說,即便徹底了解每一部分,也沒辦法完整描述整體的物理特性。格物致知遇上了凝態物理,似乎就不太管用了。
物理本來就帶有強烈的化約主義。舉例來說,日常生活可以接觸到五花八門的物質,那物理學家會問,這些物質是否可以化約成更簡單的成分呢?答案是可以的:所有的物質都是原子組成的。我們可以得寸進尺地問,那所有的原子是否可以化約成更簡單的成分呢?居然也行:所有原子都是由核子(質子與中子的統稱)組成原子核,加上核外活蹦亂跳的電子雲。這一路問下去,物質由原子組成,原子由核子與電子組成,核子則由三個夸克所組成。這一系列化繁為簡的成功,很容易讓人誤解,只要深入研究基本粒子,就能掌握其組成系統的物理特性。
但事實並非如此,特別是在魔法處處的凝態物理。書中提到的超導現象,就是電子集體行為所展現出的超凡現象。回溯到1911年,荷蘭物理學家昂尼斯發現,當金屬冷卻到接近絕對零度時,電阻居然憑空消失了,稱為超導現象。這種現象無法透過單一電子來理解,而是電子整體所展現出的特性,而這就是書中所強調的:「整體要比各個部分的總和,來得更為深奧。」
凝態物理一向不是科普界的寵兒。寫得太日常生活,會被抱怨稀鬆平常,沒有動機讀下去。那加點後空翻炫技,又常常嚇退路人甲乙丙丁,明明這麼常見的事物,為何說得如此艱澀難懂?作者一點都不怕,在書中一一介紹不同的現象:磁性、半導體、超導,加上越來越亂的熵,以及驚嚇指數百分百的自旋電荷分離現象。通過一系列精心編織的故事,將這些抽象概念具體化,讓讀者可以輕鬆地跟隨作者的敘述,理解物質在不同狀態下的集體行為,從固體、液體到氣體,乃至更加神秘的電漿態和超導態。這些現象不僅展示了凝態物理的奇妙,更讓人感受到科學文字背後的詩意。
我特別喜愛書中穿插的科學史,像作者提到了法拉第這位「巫師」。多數人知道法拉第在19世紀的實驗中展示電磁感應,揭露了電與磁之間的隱藏關係,自此人類文明踏入電器時代。但在閱讀這本有趣的書之前,我並不知道法拉第居然還會「離合咒」,而這正是半導體的關鍵秘術。
除此之外,作者也毫不避諱地探討了科學中的性別和文化多樣性問題。而諾貝爾物理學獎歷史上,僅有少數幾位女性得主,恰恰彰顯了科學界存在的結構性偏見。作者在探討物理現象的同時,也呼籲科學界應該更加開放、包容,吸納來自不同背景的人才,讓研究前沿更為多元和豐富。
剛讀這本書的時候,對於作者把嚴謹的科學,綑綁在科幻的魔法上,確實有些納悶。但隨著段落的舒展,這本書帶領讀者走進一個魔法與科學交織的世界,將冷峻的物理知識轉化成一連串驚奇的旅程。我自己從事凝態物理研究數十年,近來也跟志同道合的夥伴建立量子熊頻道,希望走出傳統的教育框架,將科學知識推廣出去。走讀書中一個個有趣的科學故事,很佩服作者的用心與魅力,相信任何對科學感興趣的讀者,都能在這本書裡找到一個迷人的魔幻世界。
作者資料
菲利克斯‧福立克 Felix Flicker
布里斯托大學助理教授,研究關心量子物理中的幾何與拓樸。有多項成果在《科學》、《自然》等期刊發表。亦曾在皇家研究院演講研究成果。 修習中國功夫 20 年(包括七星螳螂拳),有 15 年功夫教學經驗。他是前全英國中式摔跤冠軍,同時正在學習日式書道和航海。注意事項
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