菲利普·沃伦·安德森
美国凝聚态物理学家、诺贝尔物理学奖获得者
菲利普·沃伦·安德森(英语:Philip Warren Anderson,1923年12月13日—2020年3月29日),美国凝聚态物理学家,1977年诺贝尔物理学奖获得者。
1940年,安德森进入哈佛大学,毕业后入职美国海军研究实验室。1945年,安德森重回哈佛大学读博,对微波和红外区谱线压力增宽理论展开研究。四年后,安德森博士毕业,入职美国贝尔实验室,展开反铁磁性方面展开研究。1952年,安德森首次提出自发对称性破缺的概念。同年,安德森受邀到日本参加首届国际理论物理学大会,开始独立开展理论物理的研究工作。1958年,安德森发现无序晶格会明显抑制量子隧穿效应,于是提出了安德森局域化。三年后,他又提出安德森哈密顿算符,用于讨论不成对自旋原子嵌入无磁性金属时的磁矩持久性。1962年,安德森提出一种光子在超导体内获得质量的机制,后来这种机制发展为粒子物理学的标准模型。不久后,安德森又对近藤效应作出解释,并提出自旋玻璃的理论模型。1977年,安德森因对磁性和无序体系电子结构的基础性理论研究,与内维尔·莫特、约翰·凡扶累克一同获得诺贝尔物理学奖。次年,安德森出版著作《凝聚态物理学的基本概念》,并从贝尔实验室退休。2020年3月29日,安德森去世,享年96岁。
安德森命名了凝聚态物理学,并在凝聚态物理领域具有开创性贡献,包括提出安德森局域化和安德森哈密顿量等重要理论,并对高温超导性理论和粒子物理中的对称性破缺有深入研究。安德森还对科学哲学有所贡献,提出多者异也(涌现现象)的观点,强调自然在不同尺度上都存在着有待发现的基本规律和法则。1991年诺贝尔物理学奖得主P.G.热纳(Pierre-Gilles de Gennes)评价安德森为:“固体物理学界的教皇
人物生平
早年经历
1923年12月13日,菲利普·沃伦·安德森(Philip Warren Anderson)出生于美国印第安纳波利斯市。他的外祖父是沃巴什学院(Wabash College)的数学家,他的外叔是罗德兹奖学金获得者,后来成为沃巴什学院的英语教授。他的父亲哈利·沃伦·安德森(Harry Warren Anderson)是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校厄巴纳—香槟分校的植物病理学教授,所以安德森童年在那里长大。高中时期,凯文·安德森成绩优异,并且擅长跑步、网球和速滑等运动。同时,安德森加入学校的生物和棋类社团,并每年参加学校举办的演出。除此之外,安德森经常跟随父亲参加伊利诺伊大学的周末聚会,他由此结识伊利诺伊大学物理系主任惠勒 · 卢米斯(F. Wheeler Loomis),并在他的推荐下拿到哈佛大学的全额奖学金。
哈佛求学
1940年,安德森在伊利诺伊州厄巴纳的大学实验高中毕业,进入美国哈佛大学物理专业求学。次年,美国加入第二次世界大战,安德森被要求转入能快速应用于战争的电子物理专业,这是哈佛大学为鼓励学生参军而特别设置的专业。1943年,安德森刚毕业便被派往美国海军研究实验室担任微波工程师,承担建造天线的任务。在本科期间,安德森结交了包括粒子—核物理学家皮尔·诺伊斯(H. Pierre Noyes),哲学家兼科学史学家托马斯·库恩(Thomas Kuhn)和分子物理学家亨利·希尔斯比(Henry Silsbee)。
1945年,第二次世界大战结束,安德森重新回到哈佛大学,跟随博士生导师约翰 · 范弗莱克(John Hasbrouck van Vleck)攻读博士学位。1949年1月,约翰·D·安德森在完成名为《微波和红外区谱线压力增宽理论》(The theory of 压强 broadening of spectral lines in the 微波 and infrared regions)的博士论文之后获得博士学位。读博期间,安德森注意到现代量子场论对解决无线电频谱展宽问题的作用,于是首次对小分子微波吸收谱进行了完整的量子力学计算。
加入贝尔
1949年,安德森博士毕业后,在范弗莱克的介绍下加入了美国贝尔实验室中由美国物理学家威廉 · 肖克利(William Shockley)领导的课题组,从事固体物理研究。加入实验室的最初几个月里,安德森研读了弗雷德里克·塞茨(Frederick Seitz)于1940年完成的著作《现代固体理论》(The Modern Theory of Solids),并证明了威廉·肖克利提出的关于钛酸钡陶瓷氧化物中的铁电性起源的猜想。同时向一个学术期刊俱乐部推荐了同事莱纳斯 · 鲍林(Linus Pauling)撰写的关于利用共振价键理论解释金属结合力的论文。
与此同时,安德森也在向实验室另外几位学者寻求指导,例如格雷戈里 · 万尼尔(Gregory Wannier)、科尼尔斯 · 赫林(Conyers Herring)和查尔斯 · 基泰尔(Charles Kittel)。万尼尔向安德森传授了统计力学,赫林向安德森传授了固体物理和文学方面的知识,基泰尔向安德森传授了磁学方面的知识,并建议他在反铁磁性方面展开研究。
1952年1月,安德森向《物理评论》(Physical Review)提交了名为《反铁磁基态的近似量子理论》(An Approximate Quantum Theory of the Antiferromagnetic Ground State)的论文,阐释了反铁磁性的量子近似理论,首次提出自发对称性破缺的概念。
东京参会
1952年,日本理论物理学家久保亮武(Ryogo Kubo)邀请安德森到日本东京参加首届国际理论物理学大会,并到自己的研究组交流六个月。1953年9月,贝尔实验室批准了安德森的无薪假期,安德森携妻子詹姆斯·乔伊斯(Joyce)和女儿苏珊(Susan)到达日本。安德森在首届国际理论物理学大会上做出关于当代磁学研究的演讲,并接受费利克斯 · 布洛赫(Felix Bloch)、拉尔斯 · 昂萨格(Lars Onsager)、内维尔 · 莫特(Nevill Mott)等顶级理论物理学家的提问。在此次大会上,安德森与久保、森谷彻、吉田圭、金森淳等日本著名固体学家结识,并意识到自己已经具备足够的能力和研究思想,可以独立开展理论物理的研究工作。
1958年,贝尔实验室的乔治 · 费埃尔(George Feher)收集到掺杂的硅晶体中的自旋共振数据,安德森利用这些复杂的数据构建出了一种简单的无序晶格中的电子运动模型,并由此猜测证明,这种无序晶格会明显抑制量子隧穿效应,导致原本自由传播的电子波函数被约束在局部区域内,这一现象后来被称为安德森局域化。三年后,安德森又从同事伯纳德 · 马蒂亚斯(Bernd Matthias)那里获得相关数据,对不成对自旋的原子嵌入无磁性金属时的磁矩持久性进行研究,并发表论文《金属中的局部磁态》(Localized Magnetic States in Metals)。在论文中,安德森给出一个模型哈密顿量,先定性讨论特殊情况,然后使用哈特里-福克(Hartree–Fock)方法进行了分析,由此得出结论,并给出他所估计的极限。
剑桥兼职
1961年,安德森利用休假到英国剑桥大学大学访学,并开设研究生课。布莱恩 · 约瑟夫森(Brian Josephson)在安德森的课上了解到对称性破缺之后,与安德森一起就超导微观波函数相位的含义进行深入研究,进而预言了直流和交流约瑟夫森效应。在此期间,安德森的工作主要围绕对称性破缺和约瑟夫森的一些想法展开。1962年,安德森发表论文《自旋共振实验中的光谱扩散衰减》(Spectral diffusion decay in spin 共振 experiments),阐述了光子如何在超导体内获得质量,该论文中阐述的机制后来发展为粒子物理学的标准模型。
1963 年,安德森被选为美国艺术与科学院。1967年,安德森接受剑桥物理系主任内维尔·莫特 (Nevill Mott) 的邀请,在剑桥大学固体物理理论组担任半职教授,贝尔实验室也同意安德森在实验室的工作时间缩短为原来的一半。自此开始,每年的十月到三月,安德森在剑桥从事教学活动,并指导研究生,其他时间仍为贝尔实验室工作。
多体研究
自20世纪60年代开始,近藤效应的理论模型构建就成为一个具有挑战性的电子多体问题。1970年,安德森通过对重整化群方法的发明和运用,构建出可以描述基态自旋构型的理论模型,对近藤效应做出理论解释,接连发表论文《局域化理论和 Cu-Mn 问题:自旋玻璃》(Localisation theory and the Cu-Mn problem: Spin glasses)和《Kondo 和一维 Ising 模型的标度理论》(Scaling theory for the Kondo and ONE FCdimensional Ising models)。同年,安德森从美国物理学会会议上的一个小组得知,建设国家加速器实验室(即后来的费米实验室)的预算可能会威胁到全国其他“小型科学”项目的资金。他随即在《新科学人》杂志上撰文,对高能物理学界实践的“大科学”项目提出了批评。1972 年,安德森撰写了一篇名为《多者异也》的文章,强调还原主义的局限性以及科学存在层次性,每个层次都需要自己的基本原理来推进。
1975年,安德森与威尔士物理学家萨姆 · 爱德华兹(Sam Edwards)共同发表论文,提出一个用以描述一种叫做自旋玻璃的奇异金属合金中磁性行为的模型。他们对基态自旋进行了近似求解,但在数据优化时发现模型中的无序性和冲突约束同时存在,这表明计算量会随着自旋数量的增加而指数增长。这个模型引发出一种新形式的统计力学,其应用范围超出物理学,被广泛应用在蛋白质折叠、邮件递送、模式识别集成电路设计、信息编码等非物理问题上。同年,凯文·安德森结束在剑桥大学的工作,回到美国
普林斯顿
1975年,约翰·D·安德森到美国普林斯顿大学大学担任半职教授,继续进行自旋玻璃的研究。安德森热衷于深入研究实验数据,寻找实验数据中那些与当前理论不符的“异常现象”,并尝试构建能够体现物理本质的模型哈密顿量。但由于安德森不擅长推导数学的技术细节,他与其他三位同事以利户·亚伯拉罕斯(Elihu Abrahams)、罗摩克里希南(Ramakrishnan) 和 唐·利恰尔德罗(Don Licciardello)一同合作,构建出一套关于无序性诱导波局域化的标度理论,呈现出此前提出的波局域化结果,并且这一结果也从原来的3维推广到了2维和1维的情况。
1977年,安德森因《某些随机晶格中不存在扩散现象》(Absence of Diffusion in Certain Random Lattices)和《金属中的局部磁态》(Localized Magnetic States in Metals)两篇论文,与内维尔·莫特(Nevill F. Mott)、约翰 · 范弗莱克(John H. Van Vleck)共同获得当年的诺贝尔物理学奖。1982 年,他又获得了国家科学奖章。1984年,安德森出版著作《凝聚态物理学的基本概念》(Basic Notions of Condensed Matter Physics),此书后来成为凝聚态领域的经典教科书。同年,安德森正式从贝尔实验室退休,开始在普林斯顿大学全职担任物理学教授。
1986年,安德森出任跨学科研究机构圣菲研究所的联合副主席,该机构专注于复杂系统和非线性动力学研究。同年,陶瓷铜氧化物材料首次在高温环境下出现了超导现象。安德森选择彻底抛弃原先解释传统金属和合金超导时使用的电子-光子相互作用机制,采用电子间的短程库仑斥力来解释这一超导现象,成为第一个对新的超导现象提出解释的理论物理学家。次年3月,美国物理学会举办伍德斯托克物理大会,探讨关于高温超导的话题,安德森在会议上发表了自己的新理论。同年,安德森在美国国会作证,反对在得克萨斯州建造超导超级对撞机(SSC),安德森反对 SSC 并没有直接导致其在1993年的取消,而是螺旋式成本是主要因素,但他可能是其最知名的反对者。
晚年研究
1993 年 4 月,安德森到牛津大学贝利奥尔学院担任教授。他晚年经常与物理学圈子之外的听众或读者打交道,在期刊、杂志和报纸上发表诸多物理学之外的文章,例如军事规模控制、复杂性、未来学文化冲突、科学的意义等。同年8月4日,安德森和理论物理学家史蒂文 · 温伯格(Steven Weinberg),同时在一场关于加速器建设项目的听证会上接受质询。温伯格认为加速器项目关系到基础研究工作,应当进行建设。而安德森认为加速器项目会挤占其他研究领域的经费,所以不应该建设,而应该把经费投入到更具实际价值的课题中。两个月后,加速器项目被叫停。
1994年,安德森在英国每日电讯报》(The Daily Telegraph)发表文章,提出对于科学的四个看法,即科学不是民主,计算机不能代替科学家,统计数据有时会被误用而且经常被误解,好的科学具有美学特质。1996年,安德森从牛津大学退休。2000年,安德森放弃合同资助,但仍从事研究和写作工作,并多次在《伦敦泰晤士报》的高等教育增刊上发表书评。2001年,凯文·安德森从SFI指导委员(Steering Committee of SFI)退休。2006年何塞·索勒的一份分析统计比较了论文参考文献与引用数,指出安德森是世界上最有“创造力”的物理学家。2013年,普林斯顿大学曾举办活动庆祝安德森九十岁,约150名曾与之共事过的同事与学生参加,其中包括5名诺贝尔奖得主与1名菲尔兹奖得主。2020年3月29日,安德森去世,享年96岁。
科研成就
安德森命名了现在被称为凝聚态物理学的物理领域。他在局域化理论、反铁磁性理论、对称性破缺理论和高温超导理论等凝聚态物理领域做出了贡献,并提出了涌现现象,对科学哲学做出了贡献。
对称性破缺
安德森首次提出了对称性破缺的概念,这种现象是指系统的哈密顿量表述形式明明具备某种对称性,然而系统却会自发地从多个简并的对称构型中选择一个从而失去对称性。安德森从不同方面对对称性破缺进行讨论,得出了与古德斯通模式(Goldstone mode)近似的内容。
安德森局域化
安德森发现原本正常传播的波可以被无序介质限制在一个区域内,进而构建出电子在无序晶格中的简单行为模型。他提出猜想并证明,在这种无序晶格中量子隧穿效会被严重抑制,于是原本可以自由穿行于有序晶格之间的电子就会在这种无序晶格中被约束。就像自发对称性破缺,无序会导致波函数被约束在局部区域内,这一现象现在被称为安德森局域化(Anderson localization)。
凝聚态物理
安德森在凝聚态物理领域成果众多。他发明并利用了重整化群的方法,构建出可以解释近藤效应的理论模型,并且该模型低温条件下表现出了近藤效应的反常趋势变化规律。除此之外,安德森还提出了一个用于述异金属合金中磁性行为的模型,即自旋玻璃。他还将库伦效应整合进解释超导现象的 Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)模型,用来解释超导现象。
多者异也
安德森提出多者异也的观点,反驳了还原论的观点,他承认在自然界中所看到的一切,必然与基本粒子的已知性质一致。但他不认为多粒子系统的复杂行为可以直接从粒子物理学的规则中推导出来。安德森提出,自然在不同尺度上都存在着有待发现的基本规律和法则。只存在于微米尺度上的那些法则,其基本程度丝毫不亚于基本粒子尺度上的物理规律。如果只把目光集中在纳米尺度,就几乎无法找到其出现的原因。
论文专著
主要著作
主要论文
主要奖项
1964年,尼克·安德森获得奥利弗·巴克利奖。1977年,又获得诺贝尔物理学奖。1978年,安德森获得美国成就学院美国音效剪辑工会奖。1980年,他当选为伦敦皇家自然知识促进学会外籍会员(ForMemRS) 。1982年,安德森获得国家科学奖章。1991年,当选为美国哲学学会会员。此外,安德森还被授予了哈佛大学GSAS的百年纪念奖章,巴黎高等师范学院东京大学荣誉学位,以及约翰·巴丁奖。
人物关系
人物评价
1991年诺贝尔物理学奖得主P.G.热纳(Pierre-Gilles de Gennes)评价安德森为:“固体物理学界的教皇。”
佐治亚理工学院物理学教授、《菲利普·安德森传》作者(Andrew Zangwill)评价安德森为:“理论物理学界最耀眼的巨星之一。”
2016年诺贝尔物理学奖得主邓肯·霍尔丹(Duncan Haldane)评价道:“安德森是凝聚态物理学领域的巨人,他以直观且逆向的方式从新的角度看待问题的本质特征,改变了我们思考问题的方式。”
美国普林斯顿大学1909 届物理学教授兼物理系主任赫尔曼·维林德 (Herman Verlinde) 评价道:“安德森是理论物理学真正的巨人之一。”
美国普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授潘·翁 (Nai Phuan Ong) 称,“安德森在内心深处是所有合作者的热情且极其忠诚的朋友。”
目录
概述
人物生平
早年经历
哈佛求学
加入贝尔
东京参会
剑桥兼职
多体研究
普林斯顿
晚年研究
科研成就
对称性破缺
安德森局域化
凝聚态物理
多者异也
论文专著
主要著作
主要论文
主要奖项
人物关系
人物评价
参考资料