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《凝態物理》── 魔法與物理的交織

林秀豪／清華大學物理學系特聘教授

　　

　　喜歡科普的讀者，對於天文、宇宙學、粒子物理應該不陌生，畢竟滿空星斗燦爛耀眼，黑洞奧妙迷人，而粒子動物園內的珍禽異獸更是令人眼花撩亂。但說到物理最大的次領域凝態物理，多數人可能就抓不到頭緒了。

　　凝態物理，聽起來像是門冷冰冰的科學，但作者慧眼獨具，像魔法般將之轉化，變成了一場又一場神秘又奇幻的冒險。整本書以黑暗洞穴中的晶石照明開場，揭示這個「晶石」就是日常生活的LED，讓人恍然大悟，現代科技在過去就如不可思議的神奇魔法。跟隨著巫師法瑞安的探險，透過自然界的物質與現象，逐步發覺隱藏其後的規律，一步步揭開物質的神秘面紗。在這樣的視角下，物理學家成為了現代的巫師，讓讀者仿佛身處在充滿魔法的奇幻世界中。這樣的寫作手法讓科學家服氣，也讓讀者輕鬆了解日常物理現象背後的原理，生動有趣又富有深刻的啟發性。

　　書中最引人深思的核心概念，就在於「整體要比各個部分的總和，來得更為深奧。」也就是說，即便徹底了解每一部分，也沒辦法完整描述整體的物理特性。格物致知遇上了凝態物理，似乎就不太管用了。

　　物理本來就帶有強烈的化約主義。舉例來說，日常生活可以接觸到五花八門的物質，那物理學家會問，這些物質是否可以化約成更簡單的成分呢？答案是可以的：所有的物質都是原子組成的。我們可以得寸進尺地問，那所有的原子是否可以化約成更簡單的成分呢？居然也行：所有原子都是由核子（質子與中子的統稱）組成原子核，加上核外活蹦亂跳的電子雲。這一路問下去，物質由原子組成，原子由核子與電子組成，核子則由三個夸克所組成。這一系列化繁為簡的成功，很容易讓人誤解，只要深入研究基本粒子，就能掌握其組成系統的物理特性。

　　但事實並非如此，特別是在魔法處處的凝態物理。書中提到的超導現象，就是電子集體行為所展現出的超凡現象。回溯到1911年，荷蘭物理學家昂尼斯發現，當金屬冷卻到接近絕對零度時，電阻居然憑空消失了，稱為超導現象。這種現象無法透過單一電子來理解，而是電子整體所展現出的特性，而這就是書中所強調的：「整體要比各個部分的總和，來得更為深奧。」

　　凝態物理一向不是科普界的寵兒。寫得太日常生活，會被抱怨稀鬆平常，沒有動機讀下去。那加點後空翻炫技，又常常嚇退路人甲乙丙丁，明明這麼常見的事物，為何說得如此艱澀難懂？作者一點都不怕，在書中一一介紹不同的現象：磁性、半導體、超導，加上越來越亂的熵，以及驚嚇指數百分百的自旋電荷分離現象。通過一系列精心編織的故事，將這些抽象概念具體化，讓讀者可以輕鬆地跟隨作者的敘述，理解物質在不同狀態下的集體行為，從固體、液體到氣體，乃至更加神秘的電漿態和超導態。這些現象不僅展示了凝態物理的奇妙，更讓人感受到科學文字背後的詩意。

　　我特別喜愛書中穿插的科學史，像作者提到了法拉第這位「巫師」。多數人知道法拉第在19世紀的實驗中展示電磁感應，揭露了電與磁之間的隱藏關係，自此人類文明踏入電器時代。但在閱讀這本有趣的書之前，我並不知道法拉第居然還會「離合咒」，而這正是半導體的關鍵秘術。

　　除此之外，作者也毫不避諱地探討了科學中的性別和文化多樣性問題。而諾貝爾物理學獎歷史上，僅有少數幾位女性得主，恰恰彰顯了科學界存在的結構性偏見。作者在探討物理現象的同時，也呼籲科學界應該更加開放、包容，吸納來自不同背景的人才，讓研究前沿更為多元和豐富。

　　剛讀這本書的時候，對於作者把嚴謹的科學，綑綁在科幻的魔法上，確實有些納悶。但隨著段落的舒展，這本書帶領讀者走進一個魔法與科學交織的世界，將冷峻的物理知識轉化成一連串驚奇的旅程。我自己從事凝態物理研究數十年，近來也跟志同道合的夥伴建立量子熊頻道，希望走出傳統的教育框架，將科學知識推廣出去。走讀書中一個個有趣的科學故事，很佩服作者的用心與魅力，相信任何對科學感興趣的讀者，都能在這本書裡找到一個迷人的魔幻世界。