理想化的磁性物质：即使温度无限高，仍能保持秩序
科学家发现一种理想化磁性模式，即使在极高温下也能保持秩序。这或将改写宇宙起源和量子物理研究的故事。
热量通常是秩序的终结者。从阳光融化雪花，到火焰将木材化为烟灰，再到高温使磁铁失去磁性，物理学家早已熟知：只要温度够高，任何结构和模式都会瓦解。然而，最近的研究颠覆了这一常识。
过去几年里，研究人员发现了一种理想化的物质，这种物质由两个相互交织的磁性系统组成。理论表明，无论温度多高，这种物质都能保持有序的磁性模式。这一发现不仅令人惊讶，还可能影响宇宙学研究，甚至推动量子现象在室温下实现。
热量中的秩序
这一发现的起点是2019年在耶路撒冷希伯来大学的一场讲座。当时，Stony Brook大学的Zohar Komargodski提到，任何秩序在足够高温下都会崩塌。听众中的Eliezer Rabinovici提出质疑：是否绝对如此？由此，二人开始了合作。
这种疑问并非首次出现。20世纪50年代，Isaak Pomeranchuk曾发现液态氦-3在加热时会冻结；而一种名为Rochelle盐的晶体在加热时也会变得更加有序。但无论是液氦还是Rochelle盐，在更高温度下最终都丧失了秩序。
Komargodski和团队决定探究：是否存在某种模式能够在无限高温下依然保持不变？
不会熔化的磁性
研究者将目光投向磁性系统。想象一个原子组成的方格，每个原子像一个小磁铁，可以指向上或下。如果所有原子排列成某种规律，例如全都指向同一方向，这就形成了磁性秩序。
现在再添加一个新方格，让其中的原子可以自由旋转，不仅限于上下。两个格子相互作用，波动在它们之间传播。如果将这一系统放大到宏观尺度，格子不再可见，系统变成光滑的量子场，每个点都有两个磁性箭头：一个只能向上或下，另一个可以自由指向任意方向。
研究发现，这种理想化的量子场能在任何温度下维持磁性秩序。随着温度升高，自由旋转的箭头变得更加活跃，反而稳定了上下方向的磁性秩序。这种模式甚至在理论上可以永远保持不变。
研究也表明，自由箭头需要在一个抽象的多维空间中旋转才能实现这一效果。2020年，Komargodski和团队提出这一理论，但最初的数学模型存在概率和逻辑上的矛盾。直到最近，欧洲物理学家团队通过改进模型，成功证明了这一现象在有限维度中也成立。
新的可能性
这一突破可能会影响对宇宙起源的理解。传统观点认为，宇宙从炽热的混沌中冷却形成秩序，而新研究提供了另一种思路：某些秩序可能在高温中就已存在。
此外，这种理论对量子物理也有重要启示。比如，超导现象通常因热量干扰而受限，但借鉴这一磁性理论的材料或许能让完美电流在高温下得以维持。
“这为我们提供了全新的工具和视角，”研究者Francesco Sannino说道，“它可能重新定义我们对秩序和混乱的理解。”
本文译自 Quanta Magazine，由 BALI 编辑发布。
