物理群星
罗伯特·劳克林 肖像

图:Markus Pössel,2012 年摄于林道诺贝尔奖得主大会 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

罗伯特·劳克林

Robert B. Laughlin

1950–今 · 生于美国加利福尼亚州维萨利亚 · 美国

凝聚态量子力学

在实验室围栏外一间活动板房里等安全许可时收到一份预印本,盯着最后一张图看了十秒,就知道那里有带三分之一电荷的激发

诺贝尔物理学奖 1998 发现了一种具有分数电荷激发的新型量子流体(与施特默、崔琦共享)

「谁能否认海森堡那条著名的不确定性原理有铁一般的确定性?它说的是:一对新手父母不可能同时睡个好觉。」

—— 1998 年诺贝尔奖晚宴致辞,代表三位物理学奖得主「向婴儿祝酒」(据英文原文译)

1998 年 12 月的诺贝尔奖晚宴上,劳克林代表三位物理学奖得主致辞,题目是向婴儿祝酒。他说,海森堡的不确定性原理有铁一般的确定性:一对新手父母不可能同时睡个好觉;想弄懂量子场论里的湮灭算符,得花几千美元读好几年书,可只要把一个婴儿放进摆着音响的客厅,你很快就会无比清楚地明白它是什么意思。最后,他把酒敬给了父母——他自己的父亲,在他完成通向这个奖的第一项工作几周后就去世了。

从维萨利亚到潘兴导弹

他 1950 年生在加州中央谷地的小城维萨利亚,四个孩子里的老大。外祖父是当地医生,父亲二战时当过海军军官,后来做律师;母亲是教师。少年时他自己装过一台彩色电视,也在电解熔融烧碱时把熔液泼到了手上。

1968 年他进了伯克利,先读电机工程,第二年转到物理。那几年正是越战。尼克松取消了学生缓征、改用抽签,给他抽到的号码恰好等于他的年龄——十九。他在自传里记得那一天自己浑身发冷;毕业前的压力下,他挂掉了一门实验课,最后只拿到一个数学学位。

1972 年夏天他被征召入伍,没有去当军官,因为那要多服一年役。基础训练之后,他被分去学发射潘兴导弹,最后驻扎在西德的一支潘兴导弹部队,直到 1974 年 7 月退役。

规范论证

退役后他去麻省理工学院读博士,研究非晶固体与表面,1979 年毕业,去贝尔实验室做博士后。1980 年冯·克利青发现了量子霍尔效应,平台精确到当时实验能达到的极限。劳克林记得安德森嘀咕过一句,说这里面大概有个「规范论证」,这句话留在了他脑子里。

他的论证是这样的:把样品想象成一个环,让磁通穿过环心。磁通每增加一个磁通量子,体系回到一个等价的状态,同时把整数个电子从环的一侧搬到另一侧。霍尔电导因此只能是 e2/he^2/h 的整数倍,与样品的形状、杂质都无关。这篇 1981 年的短文,后来被称为量子霍尔效应的「规范论证」。

就在这时,贝尔实验室没有给他长期职位——他在自传里说,传闻是他在那里只有一个支持者。他先接受了普渡大学的教职,又反悔,最后去了劳伦斯利弗莫尔国家实验室。

活动板房里的十秒钟

到利弗莫尔的头六个月,他的安全许可还没批下来,只能在围栏外一间人称「冷却室」的活动板房里办公。崔琦和施特默关于分数量子霍尔效应的预印本,就寄到了那里。

他在自传里写:「我记得翻到最后那张图,盯着看了十秒钟,就意识到他们一定是找到了一种多体凝聚态,它的激发带着 e/3e/3 的电荷,因为没有别的合理解释能说明那个效应为什么存在。」

可他的第一版理论是错的。他借用了孤子和离散对称破缺的想法,写成论文投给《物理评论快报》,被拒了。「被拒了,谢天谢地。」审稿人后来才知道是基维尔森,他指出劳克林写下的并不是离散的对称破缺。劳克林回头去做数值计算,对三到六个电子精确求解,发现三分之一填充时的基态几乎完全是一种特定的乘积形式;再从一本讲液氦的书里认出了这种变分波函数,借用经典等离子体的类比完成了计算。1983 年发表的就是后来以他命名的那个波函数:电子形成一种不可压缩的量子液体,激发带分数电荷。详见本站「分数量子霍尔效应」页。

斯坦福、韩国与「不同的宇宙」

1985 年他到斯坦福大学任教,1998 年与施特默、崔琦分享诺贝尔物理学奖。

2004 年 7 月,他出任韩国科学技术院校长。他推动扩大人文课程、增加英语授课、收取学费以减少对政府拨款的依赖,并逐一评估全校教师。据《华尔街日报》2007 年的报道,一部分教师认为改革来得太猛、缺乏沟通,系主任们联名要求他下台;劳克林则认为,真正的阻力来自经费与职位保障。2006 年,他的任期届满,理事会没有续约。

2005 年,他出版了《不同的宇宙》,讲他一贯的观点:物理学里许多最重要的规律并不是从更微观的规则推出来的,而是从大量粒子的集体行为中涌现出来的。2000 年他和派因斯在《美国国家科学院院刊》上发表的《万物之理》,讲的也是同一件事。1998 年获奖当天他对斯坦福的记者说:「以为只要知道了微观规则就知道了一切,是一个错误。」

代表方程

劳克林波函数

Ψm=∏j<k(zj−zk)m e−∑j∣zj∣2/4ℓ2\Psi_m = \prod_{j<k} (z_j - z_k)^{m}\, e^{-\sum_j |z_j|^{2}/4\ell^{2}}

zjz_j 是第 jj 个电子在平面上的位置(写成复数),ℓ\ell 是磁长度。任意两个电子靠近时,波函数以 mm 次方趋于零,电子彼此回避得极其彻底。电子是费米子,mm 必须是奇数;m=3m=3 描述三分之一填充。这是一种不可压缩的量子液体,从中激发出的准粒子带电荷 e/me/m。

规范论证

I=∂U∂ΦI = \frac{\partial U}{\partial \Phi}

1981 年他为整数量子霍尔效应想出的论证:把二维样品卷成一个环,让磁通 Φ\Phi 穿过环心。电流等于体系能量 UU 对磁通的导数。磁通每增加一个磁通量子 h/eh/e,体系回到等价状态,同时把整数个电子从环的一边搬到另一边——霍尔电导因此必然是 e2/he^2/h 的整数倍,与样品细节无关。

伟大发现