物理群星
乔治·帕里西 肖像

图:Lorenza Parisi 摄于 2006 年 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0

乔治·帕里西

Giorgio Parisi

1948–今 · 生于意大利罗马 · 意大利

热学与统计凝聚态粒子物理

他把 nn 份复本分成「每组半份」——这个当时看来发疯的做法,解出了自旋玻璃

诺贝尔物理学奖 2021 发现从原子到行星尺度的物理系统中无序与涨落的相互作用

「那当然是发疯。但我的想法是:先看看这个疯念头会不会给出正确的结果,别的问题留到以后再说。」

—— 2021 年诺贝尔奖讲座扩充版(arXiv:2304.00580),据英文原文译

帕里西的父亲和祖父都是建筑工人。家里希望他学工程——这是一条看得见的上升路径。他自己想做的是研究,理由说不太清楚,大概来自少年时读的那些科普书、科幻小说和数学书。

1970 年他从罗马大学毕业,导师是尼古拉·卡比博,毕业论文写的是希格斯玻色子。那一年希格斯机制提出才六年,还远不是后来的样子。

卡比博给他的一句话,他讲了一辈子:只有当一个问题做起来有乐趣时,才值得去做。

从夸克到自旋玻璃

此后十年他做的是高能物理。1977 年他与阿尔塔雷利写下部分子分布随能标演化的方程——今天在大型强子对撞机上每算一次质子对撞的截面,都要用到它。

转向发生在 1978 年底,而且相当偶然。当时他在和苏拉斯、德鲁夫做高维格点规范理论,中间要处理一类叫分支聚合物的东西。他去图书馆翻这方面的文献,撞见了一个陌生的技巧:复本方法。顺着读下去,他看到一句话——这个方法用在自旋玻璃的 SK 模型上会给出错误的结果。

他立刻想知道为什么。

自旋玻璃是这样一种东西:把少量磁性原子稀稀拉拉地掺进非磁性金属里,原子之间的相互作用有的想让两个自旋同向、有的想让它们反向,而且强度和符号都是随机的。这种「怎么排都不可能让所有人满意」的局面叫阻挫。1975 年谢林顿与柯克帕特里克写下一个可以精确求解的模型,解却荒唐:温度趋于零时,熵是负的。熵是状态数的对数,负熵意味着不到一个状态。

1978 年德阿尔梅达与索利斯找到了病根:谢林顿他们默认所有复本地位相同,而这个「复本对称」的解在低温下根本不是极小值。可他们说不出正确的解长什么样——不对称的矩阵有太多种可能。

每组半份复本

帕里西试了很多种矩阵,没有一个像样。

他后来的那一步是这样的:前人把 nn 份复本分成 n/mn/m 组、每组 mm 份,所有人都默认 mm 是整数。他假定 mm 可以是 0 到 1 之间的小数——也就是说,把 nn 份复本分成 2n2n 组,每组半份。

用他自己的话讲:「那当然是发疯。但我的想法是:先看看这个疯念头会不会给出正确的结果。」他还给自己找了个先例:非整数的角动量听上去也很疯,可它带出了雷杰极点。

结果几乎全对:比热与能量都和数值模拟对上了,零温熵从 −0.16-0.16 升到 −0.01-0.01——还是负的,但已经贴着零。他把这个结果写成一则短文投出去。审稿人的回复很值得抄下来:这个做法讲不通,但公式给出的数字是合理的,所以可以发表;论文末尾那段话不值得占用它印在上面的那张纸,应该删掉。

被要求删掉的那段,正是他猜测把分组无限重复下去才能得到正解。而在审稿意见回来之前,他已经把它做完了:分组、再分组,重复无穷多次,序参量从一个数变成一整条函数 q(x)q(x)。

他自己对严格性没抱希望,说过很怀疑有谁能证明这一切成立。2002 年古埃拉找到一个插值技巧,证出不等式的一边;几个月后塔拉格朗把这个论证反过来用,补上了另一边。二十多年后,这个当年被审稿人说「讲不通」的公式成了一条定理。

椋鸟

冬天的傍晚,成千上万只椋鸟在罗马上空聚成一团忽而收拢忽而铺开的云。2000 年代中期,帕里西和同事在市中心的屋顶架起两台相机做立体摄影,把上千只鸟的三维位置一帧帧重建出来。

结论出人意料:每只鸟盯住的不是「离我五米之内的鸟」,而是「离我最近的那六七只鸟」,不管它们实际有多远。这叫拓扑距离,不是度量距离。鸟群被拉伸时,度量距离会变,第几近邻却不会变——所以整群鸟才能在急转弯中不散架。

这和自旋玻璃看起来毫无关系,但对他而言是同一件事的另一面:一大堆个体、只有局部的、带随机性的相互作用,整体却涌现出一种没法从单个成员身上读出来的秩序。诺贝尔奖的授奖词把这条线概括成「从原子到行星尺度」。

代表方程

复本技巧

ln⁡Z‾=lim⁡n→0Z n‾−1n\overline{\ln Z} = \lim_{n \to 0} \frac{\overline{Z^{\,n}} - 1}{n}

无序系统的自由能要对随机的耦合做平均,可要平均的是 ln⁡Z\ln Z,这几乎算不动。爱德华兹与安德森的办法是绕一圈:取 nn 份一模一样的复本,先算 ZnZ^n 的平均——这个能算——再让 nn 趋于零。代价是 nn 本该是个正整数,现在却要送它去做连续极限。这一步至今没有严格的数学地位,答案却是对的。

帕里西序参量

F=max⁡q(x)F[q(x)],x∈[0, 1]F = \max_{q(x)} F[q(x)], \qquad x \in [0,\,1]

铁磁体的序参量是一个数:磁化强度。帕里西发现自旋玻璃的序参量必须是一整条函数 q(x)q(x)——把 nn 份复本分组,再把每组分组,重复无穷多次,两份复本之间的重叠就不再取单一的值,而是有一整个分布。这条函数背后是无穷多个互相嵌套的平衡态。2003 年古埃拉与塔拉格朗从两侧把它夹住,证明这个公式确实给出精确解。

伟大发现