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2020-11-01最有創造力的物理巨人 菲利普‧安德森
611 期
Author 作者
高崇文／中原大學物理系教授，研究領域為高能物理。
美國物理學家安德森（Philip Anderson）於今（2020）年3月辭世，享耆壽96歲。他從大學時期跟著物理大師弗雷克（John Van Vleck）做研究，取得博士學位後開啟固態物理的研究之路，後續又轉向鑽研超導體及超流體等領域，並於1977年因對磁性和無序系統的電子結構研究榮獲諾貝爾物理學獎，成就卓越非凡。而他在晚年提倡的「湧現」概念，深深影響後來的科學研究者。
今（2020）年3月正是瘟疫在美國爆發的時候，所有的新聞焦點都在報導疫情，所以3月29日在紐澤西州普林斯頓一位高齡96歲物理學家過世的消息，並沒有引起太多人注意，但是對物理界而言，這個新聞的份量可不小。因為過世的這位學者，不只是得過諾貝爾獎的凝態物理（condensed matter physics）泰斗，他的想法對其他領域的物理學家們也深具啟發性，甚至他在晚年不斷鼓吹的「湧現（emergence）」觀念還能將物理學、化學、生物學、計算機科學和經濟學聯繫起來。2006年一份分析統計比較了論文參考文獻與引用數，還指出他是世界上最有「創造力」的物理學家。他就是美國物理學家安德森（Philip Anderson）。
1923年，安德森出生於美國印地安納州的印第安納波利斯（Indianapolis）。他在1940年，從厄巴納的高中畢業之後進入哈佛大學就讀，而當後續二戰打得如火如荼時，安德森被送去位在華盛頓特區的海軍實驗室，幫忙從事雷達相關的任務。到了1945年大學畢業之後，安德森繼續在哈佛念研究所。當時哈佛的明星教授是剛進哈佛任教的量子場論（quantum field theory, QFT）大師許溫格（Julian Schwinger，又譯施溫格），幾乎每個研究生都希望成為他的學生，但是安德森獨具慧眼，選上了弗雷克（John Van Vleck）當他的指導教授。著名的科學史家，《科學革命的結構》（The Structure of Scientific Revolutions）作者孔恩（Thomas Kuhn）也是弗雷克的研究生，兩人可說是同門師兄弟呢。
貝爾實驗室的固態物理研究
1949年安德森拿到博士學位之後，他接到電晶體的共同發明人蕭克利（William Shockley）的邀請，加入位於紐澤西州默里丘（Murray Hill）的貝爾電話實驗室的理論小組。當時的貝爾實驗室有許多精通固態物理的同事，所以安德森自然而然也往這個研究方向發展。
安德森首先研究的是反鐵磁性（antiferromagnetism）。磁性的起源是來自於電子磁矩，由於電子的自旋會造成磁偶矩（magnetic moment），當兩顆電子的自旋方向平行時，彼此的磁偶矩會產生吸引力而降低交互的能量，所以相鄰的電子有讓彼此自旋方向相同的傾向。然而在反鐵磁性材料中，鄰近原子的磁偶矩排列方向卻是相反的。先前的理論都無法弄清楚這種異常磁態存在的原因，主要是因為量子漲落（quantum fluctuations）會破壞這種微妙的自旋排序。但是安德森卻證明了在二維或更高維度時，量子漲落實際上會相互抵消，因此反鐵磁序得以存在。這是他在貝爾實驗室完成的第一個重要的工作。
注定得獎的「安德森局部化」
另外，貝爾實驗室的半導體研究使安德森在1957年提出了著名的安德森局部化（Anderson localization，也稱為強局部化）理論。安德森局部化是指一種在無序介質中，波不會擴散的奇特現象。這個機制可以解釋材料中的缺陷和雜質所引起的無序狀態，會使電子波函數局部化，從而讓材料變成絕緣體。更具體一點來說，當晶格中的無序度足夠大時，例如在具有雜質或缺陷的半導體之中，電子可能會陷在晶格電勢中而無法導電。
當無序狀態在某種程度下，金屬的電阻率會上升，此現象被稱為弱局部化（weak localization）。在無序程度轉強時，嚴重的干涉會讓無序介質內部的波動完全無法傳播，產生安德森局部化。安德森局部化是一種普遍的波現象，適用於電磁波、聲波、量子波與自旋波等傳輸。這是物質內部的一個重要量子現象。而在20年後，這個發現替安德森帶來一座諾貝爾獎。
轉向超導體與超流體的研究
1957年，美國物理學家巴丁（John Bardeen）、庫柏（Leon Cooper）和施里弗（Robert Schrieffer）提出超導體的BCS理論（Bardeen-Cooper-Schrieffer theory），他們發現超導性是物質內的電子形成庫柏對（Cooper pair）的結果，這個理論深深地吸引了安德森。……【更多內容請閱讀科學月刊第611期】