系经济观察报社年度培训项目，邀请来自经济、传媒、科学、文化、法律、商界等领域知名人士讲授常识与新知，分享经典和创新，是助力提升经观内容品质和传播影响的开放型课堂。本文根据在物理学家张坚地上的发言整理。
张坚地，表面物理国家重点实验室杰出研究员、北京凝聚态物理国家研究中心首席科学家，美国物理学会（APS）会士。主要研究方向为实验凝聚态与材料物理领域，尤其是对关联物质在对称性破缺和维度降低条件下演生的新型量子态的研究。
量子力学的诞生
年，IBM在Nature上发表了一篇文章。在这篇文章里，人们第一次用扫描隧道显微镜直接演示了电子的波动性。电子的二重性，即电子有时表现出粒子，有时则表现出波的形式。
波和粒子不同，波的性质反映的是电子以一种连续的空间分布的形式存在，粒子在经典意义上就是在空间中以一个点的形式存在。这图里呈现了用扫描隧道显微镜观察被48个铁原子圈着的铜表面电子的行为。如果在这表面上的电子是纯粹以粒子表现的，那它们在扫描隧道显微镜的观察成像就应该呈颗粒状，不应该是驻波纹状。这里说的是在这被48个围着的电子以波的表现呈现出来。
20世纪初，年，中国革命轰轰烈烈，诸如辛亥革命。在当时，中国的整体变化是推翻封建王朝。而在同一时间，西欧也悄悄地产生了一场革命，即量子物理学的诞生。
量子力学在20世纪初的悄然诞生，体现于两次索尔维会议（第一、五届）。这两次索尔维会议均在布鲁塞尔举行，由欧内斯特·索尔维资助。这个会议的参与者里有许多得过诺贝尔物理学奖的人，比如大家都很熟悉的爱因斯坦和居里夫人，以及非常著名的法国数学家亨利·庞加莱。在这个会议里，与会者共同讨论了量子的诞生。
年，普朗克第一次提出“量子论”。量子论本身可以解释在20世纪初所无法解释的许多物理现象，但是普朗克当时不承认量子的存在，没有提出量子的概念，只是为解释黑体辐射时在数学推导上需要它。直到年，爱因斯坦才第一次提出量子这一概念。
量子的概念其实非常简单。比如，用光照一块金属，如果这个光的频率足够高，金属里的电子就会跑出来，这就是光电效应。光电效应和光的强度没有关系，而是和光的频率相关。光电效应第一次提出了光实际上不是连续的波，而是一个个量子，从而解释了光电子是或能从金属跑出来和光频率有关，而不是光强所决定的。光也有二重性，它在空间传播时具有波性，但在和物质相互作用时又会变成另外一种“性格”。在和物质相互作用时，光会以量子的形式和其他粒子进行相互作用，这就是“量子”的开始。凭借这个发现，爱因斯坦在年获得诺贝尔物理学奖。
第五届索尔维会议（年）的参会者有许多物理学家、化学家，这也许是20世纪最著名的会议，因为从没有一个如此小规模的会议聚集了如此多的著名科学家。此届索尔维会议奠定了量子论和量子力学，当然还有相对论。大家都知道经典力学，而量子力学的奠定就是现代物理科学诞生的一个重要标志。
这里我再讲一下这次索尔维会议里的著名科学家，比如最先提出波粒二象性的德布罗意、薛定谔；薛定谔和海森堡同时写了两篇关于量子力学的产生的文章；与会者还有提出微观粒子的泡利不相容原理的泡利。所谓泡利不相容原理，指的是两个费米子不能同时相处在同一个量子态里，反之则是玻色子；这是物理学里两种形态的基本粒子。正因如此，索尔维会议被誉为奠定了现代物理学的基础，现代凝聚态物理的发展几乎也是从这个会议开始。
凝聚态物理、超导和材料
原子的里面有原子核，外面有电子。可以想象，我们采用不同的堆法，将许多原子慢慢地堆在一起，堆完这些原子以后构成的物质会有什么性质。从原子进入到分子，可能会在最后堆成一个有超过个原子的物质。如果堆得比较好的话，还可以堆成一个非常有规则的物质——这就我们通常说的晶体。
晶体有一定的结构和周期性。举个不太恰当的例子，一个一维的晶体就像一队笔直做核酸的长队，排队时两米一人，因此我们说又一定的周期性，如果队伍里存在一米一人，队伍的周期性就被破坏，即对称性被破坏。如果人与人之间的相对位置不变，即基本呈静态，我们一般就称其为固体。水里面水分子之间也有一定的距离，但分子间有拐弯，无特定对称性，因此对应于凝聚态的软物质类型。
凝聚态物理实际上就是理解凝聚态物质的性质，所以如果给凝聚态物理一个非常宽泛的定义，就是从事于由原子间电磁相互作用所产生的物质（固体或液体）的宏观和微观物理性质的研究。
从我们理解而言，凝聚态物理实际上只需要三样要素：量子、对称性、和相位。这里阐释一下对称性的重要性。对称性一旦被破坏，从物理学的角度而言，物质就会有新的状态出现。年，杨振宁和李政道发现了基本粒子中存在镜面对称性破缺（导致所谓宇称不守恒），并凭此在年获得了诺贝尔物理学奖。当时根本没有人相信他们提出的对称性破缺，甚至连提出泡利不相容原理的泡利还大骂两人是在瞎搞，但是这个理论随即就被吴健雄(注：中国科学院外籍院士、物理学家)领导的小组所证实。这也许是最快获得诺贝尔奖的一个理论。这个理论非常成功，因为是先在理论上预言，然后立即就得到了实验上证实。只是很遗憾的是，吴健雄先生当时并没有获得诺奖。
下面我讲解一下凝聚态由于许多原子不同堆积而演生的现象。有一个分子很有意思，名叫碳60，在年被克罗脱和史沫莱发现，两人随后凭此获得了诺贝尔化学奖。碳60非常对称，更有意思的是，如果把三个碱金属（在化学周期表的第一列元素）原子堆到每个碳60上，就能够使之对应材料形成超导。要是再进一步堆成更为复杂的化合物晶体，犹如这个含有5种元素的化合物：水银（汞）、钡、钙、铜和氧。这种混合物可以变成有接近K的高温超导，即零下多摄氏度，有利于在液氮下来做超导。
这些现象都说明：把原子堆在一起后，物质会产生不一样的性质，而这些性质并非来自于单个的原子。有一种非常有意思的材料来自于碳原子：石墨（很软）。石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价（最近邻有3个碳原子），但如果把每个碳原子与其他碳原子形成4个共价，则女士们一定都会对其非常感兴趣，因为这意味着形成的物质将是钻石。
“我们一般认为1+1=2，但是后来发现这个“+”大有文章”，这出自于年证实广义相对论关于光线弯曲预言的英国天文学家艾丁顿。为什么1+1会2？这就是我们物理学里面很有必要阐明的一个问题。一个粒子系统出来的物理性质和每个单一的粒子的性质完全不一样，这是凝聚态物理里一个非常重要的研究课题。凝聚态物理研究的基本粒子相互作用不外乎就是电磁相互作用，人体之所以能够形成至如今的形态，不外乎也是由于电磁相互作用。研究粒子物理的科学家就希望把一个原子拨成电子和原子核，原子核再往下拨成夸克和胶子，到最后再往下拨就会产生诸如超弦理论等。
还有一些科学家把原子堆成自己想要的结构后，发现会涌现出和原来完全不一样的物理性质，这就是我们在做的事情，是凝聚态物理里一个非常重要的研究课题。对电磁相互作用本身的理解已经非常清晰了（没有诺贝尔奖可得了），但是如果通过把原子堆在一起以产生例如超导的新的性质，就有了新的希望。
生命的产生与进化更是奇迹（原则上也是堆原子、分子，基本相互作用也是电磁相互作用）。人类最初不过是一团毫无规则的细胞，最后却神奇地、自发地逐渐长成了手脚俱全的婴儿。人的基本成分是碳、氢、氮、氧，氧的含量最多，这么多的分子被构造出来，在每一个过程里就是一种演化和涌现的现象。
最终极的在于，我们如何理解一个人从如此简单的原子开始，进化到如今如此复杂的生命形态。这个进化过程里的许多物理过程实际上都是量子的过程，只是我们暂时还没有办法理解，因为生命的产生和进化本身就是一个非常复杂的演化过程。年，沃森和克里克通过X射线衍射发现，人类的DNA大部分都是右螺旋。我就在思考，人的心脏为什么在左边、肝脏在右边？有没有反过来的？DNA为什么大部分都是右螺旋？
回到超导。什么是超导？用物理的角度来讲，首先，超导就是一种集体的量子态。给超导材料慢慢降温，当温度降到某一个临界点以下，材料的电阻就会变至0，其次，一些超导体具有抗磁性，在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体。这里演示的是在超导材料的上面放置一块磁铁，然后用液氮冷却超导材料使其进入超导态，磁体便会浮在空中，直到把超导体的温度上升至某一个临界温度值（超导态消失），磁铁才会从空中掉下去。磁铁之所以能够浮在空中，原因就在于超导体与磁铁的磁场之间会产生排斥力，磁铁受力后浮在半空中。
导体是什么？一般来讲，材料根据其导电性可以分为：导体、半导体、绝缘体。对于导体，只需给加一个电压，导体中的“自由”电荷就会在电场力的作用下产生定向移动，形成电流。一般的导体有电阻，产生电流的同时会产生热量（焦耳热），因为电子在导体里流动的时候，不是在一个自由的空间里流动，而是会碰到自己同类电子和原子核（所谓散射），从而产生电阻，而碰撞同时也会伴随有热量产生。
但超导是没有电阻的，那是为啥？为啥超导体内的电子不再会散射？回答其微观上机制不是一件容易的事。在常规超导材料里，晶格和电子配合得特别好，使得两个电子形成对，称之为库珀对。但电子成对的情况一般很难出现，因为两个具有同样电荷的电子会互相排斥。电子对的吸引需要通过晶格产生一个相互作用，一旦电子成对并以一个正确的方式运动，晶格就能和电子配合得特别好导致超导。所以超导实际上就是一种集体的，多粒子配合而形成的量子态。
除了降低温度以外，现在，如果有约万个大气压的高压就有可能在常温环境中产生超导现象。事实上，常温超导无疑也是目前凝聚态物理一个非常重要的研究方向。目前，国内外有许多人在
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