فیلیپ وارن اندرسون - اعجوبه‌ای در فیزیک معاصر

فیلیپ وارن اندرسون یکی از بزرگترین اندیشمندانی است که در طی نیمه دوم قرن بیستم نقش مهمی در پرورش و هدایت رشد سریع فیزیک ماده چگال داشته است. او در روز دهم فروردین امسال (۲۹ مارچ ۲۰۲۰) در شهر پرینستون نیوجرسی دارفانی را وداع گفت.

او به طور بنیادی در طیف وسیعی از موضوعات سهم داشته است، از جمله این موضوعات می‌توان به پادفرومغناطیس، ابرتبادل، ابررسانای بدفام، مسئله تکینگی پرتوی ایکس، جایگزیدگی، ابرشارگی در هلیوم-۳، شیشه‌ اسپینی، مایع‌ اسپینی کوانتومی، ممان موضعی در فلزات، بازبهنجارش Poor-man، ابررسانایی کوپراتی اشاره نمود. اکنون نام بسیاری از آن مفاهیم با نام او عجین شده است. او به همراه نویل مات و جان فن‌ولک جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۷۷ را برای کار بر روی «بررسی نظری بنیادی ساختار الکترونی دستگاه‌های مغناطیسی و نامنظم» دریافت نمود.

اندرسون در ۲۱ آذر ۱۳۰۲ (۱۳ دسامبر ۱۹۲۳) در اوربانای ایلینوی متولد شد. او پس انجام خدمت در آزمایشگاه تحقیقاتی وابسته به نیروی دریایی در طول جنگ جهانی دوم، دکترای خود را در سال ۱۳۲۸ شمسی (۱۹۴۹ میلادی) از دانشگاه هاروارد، و با کار در گروه فن‌ولک، دریافت نمود. در همین سال او به آزمایشگاه‌های بل، و گروهی از باهوش‌ترین فیزیک‌دانان آن زمان، که شامل برند ماتیاس، پیتر ولف، رابرت شولمن، ویلیام شاکلی، و چارلز کیتل بود، پیوست. تأثیر قوی هم‌‌زمانی حضور این افراد در سرمایه‌گذاری روی پژوهش بنیادی اثر به سزایی بر این آزمایشگاه‌ها تا پایان سده گذاشت. اندرسون پیش از پیوستن به اعضای هیأت علمی دانشگاه پرینستون، از سال ۱۳۴۶ تا ۱۳۵۴ شمسی (۱۹۶۷ تا ۱۹۷۵ میلادی) به صورت پاره وقت در دانشگاه کمبریج مشغول به کار بود. او پس از بازنشستگی از آزمایشگاه‌های بل در سال ۱۳۶۳ شمسی (۱۹۸۴ میلادی)، استاد تمام وقت شد و در سال ۱۳۷۵ شمسی (۱۹۹۶ میلادی) به بازنشستگی از این حرفه نایل گشت.

شاید به جرأت می‌توان گفت که اندرسون به سبب پیش‌بینی خود موسوم به جایگزیدگی اندرسون در سال ۱۹۵۸، مبنی بر این که بی‌نظمی نسبتاً قوی می‌تواند فلزات را به نارسانا تبدیل کند، به شهرت رسید. پیش از این، نظر غالب این بود که امواج الکترونی در فلزات گسترش دارند. اندرسون نشان داد که بی‌نظمی در دمای پایین، می‌تواند موجب جایگزیده شدن امواج در فضا و توقف جریان رسانندگی شوند.

اندرسون در سال‌های دهه‌های ۱۹۵۰و ۱۹۶۰ نشان داد که چگونه ترکیب مکانیک کوانتومی و دافعه قوی بین الکترون‌ها سبب می‌شود که اسپین‌های الکترونی، ممان‌های موضعی تشکیل دهند؛ ذکاوت او موجب گسترش نظریه جدید مغناطیس شد. پس از آن که جان باردین، لئون کوپر و جی رابرت شریفر نظریه زوج الکترون‌های خود در ابررساناها را در ۱۹۵۷ منتشر نمودند، اندرسون مبدل به یکی از نویسندگان اصلی در این زمینه شد. او اولین کسی بود که از روش مکانیک کوانتومی به اهمیت فاز تابع موج ابررسانایی و چگونگی ارتباط آن به تعداد زوج‌های کوپر پی برد.

در اصل، افت و خیزهای فاز منجر به یک مد جمعی برانگیختگی‌های بی‌گاف می‌شود، که مثالی است از نظریه گلدستون؛ چنین برانگیختگی‌هایی در ابرشاره‌های طبیعی و نه در ابررساناها مشاهده می‌شوند. اندرسون فهمید که برهم‌کنش زوج‌های کوپر با میدان الکترومغناطیسی، مد مذبور را به یک بسامد متناهی، که با مد پلاسما پیوند می‌خورد، تقویت می‌کند. او در سال ۱۹۶۲ پیشنهاد کرد که سازوکار مذکور می‌تواند بن‌بستی که در مواجهه با نظریه‌های میدان یکپارچه مبتنی بر شکست تقارن بوجود آمده بود – موسوم به مسئله ذرات گلدستون بی‌جرم ناخواسته- را مرتفع می‌نماید. دو سال بعد پیتر هیگز و دیگران با استفاده از مسیرهای صوری‌تر به همان نتایجی رسیدند. هیگز در متن سخنرانی نوبل خود نوشت: «دقیقاً همان طور که اندرسون پیشنهاد داده بود، مد بی‌جرم گلدستون تبدیل به یک قطبش طولی یک فوتون اسپین-۱ جرم‌دارمی‌شود». امروزه سازوکار اندرسون-هیگز یک مبنای کلیدی در هر دو زمینه فیزیک ذرات و ماده چگال است.

یک سال پس از کشف ابرررسانایی دمای بالا در کوپرات‌ها در سال ۱۹۸۶، اندرسون مقاله‌ای بسیار تأثیرگذار در مجله ساینس منتشر کرد، که در آن اشاره کرد که راه حل فیزیکی وارد کردن حامل‌های بار («حفره‌ها») به حالت عایقی است که از دافعه قوی الکترون-الکترون حاصل شده. او یک مقاله در ۱۹۷۳ نوشت که در آن مایع‌های اسپینی کوانتومی را معرفی نمود، حالتی که در آن ممان‌های مغناطیسی به علت افت‌وخیز کوانتومی نمی‌توانند نظم بلندبرد داشته باشند و به جای آن حالتی تشکیل می‌دهند که او از آن به عنوان «پیوند ظرفیت تشدیدی» (RVB) تعبیر نمود. او پیشنهاد کرد که با اضافه شدن حفره‌ها به حالت ذکر شده، یک ماده کوپراتی تبدیل به یک ابررسانا می‌شود.

این نوآوری‌های انقلابی با مقاومتی شدید از طرف جامعه علمی مواجه شد. اگر چه این سازوکار ویژه که او برای ابررسانایی پیشنهاد کرده بود جدال‌برانگیز باقی ماند، بسیاری از ایده‌هایی که در مقاله ۱۹۸۷ وی پیشنهاد شده بود، از جمله بیان این که حالت پایه غالب در دستگاه دافعه‌ای قوی ابررسانایی است، مورد وثوق وسیع قرار گرفت. حالت RVB مثال نوعی عمده از یک مایع اسپینی، و در حال حاضر یکی از زمینه‌های غنی پژوهشی است.

علاوه بر این، اندرسون پیشنهاد کرد که برانگیختگی‌های یک مایع اسپینی کوانتومی به سان الکترون‌هایی رفتار می‌کنند که علی‌رغم از دست دادن بار، اسپین خود را حفظ نموده‌اند. اولین مثال «کسری‌شدگی» چه در میان مدل‌های حل‌پذیر دقیق و چه در مواد واقعی، مصداق پیدا کرد. زمان گواهی خواهد داد، که شاید اثر مایع اسپینی اندرسون به عنوان عمیق‌ترین و پیش‌گویانه‌ترین موضوع، به خوبی در یادها باقی بماند.

اندرسون در سال ۱۹۷۲در مقاله‌ای با عنوان «بیش دیگرگونه است» با نگاهی دور از ساده‌انگاری به مسئله، نشان داد که هر لایه از طبیعت تا ژرف‌ترین حد میکروسکوپی لایق بررسی بنیادی است. انتظار نمی‌رود آن قوانین کمترین توضیحی برای گونه‌های وسیعی از رفتار پیچیده و جذاب دستگاه‌های ماکروسکوپی، مثل ابررسانایی، آشوب، و سایر پدیده‌های نوظهور فراهم آورند. این نقطه نظر عمیقاً بر فیزیک ماده چگال و سایر زمینه‌های علوم تأثیر گذاشت.

اندرسون علاوه‌ بر جایزه نوبل، در سال ۱۹۶۴ جایزه انجمن فیزیک امریکا تحت عنوان جایزه اولیویه ای باکلی، و در سال ۱۹۸۲ مدال ملی علوم را از آن خود نمود. وی در طول زندگی خود به دنبال یک فرصت یک ساله در ژاپن در سال ۱۹۵۳-۵۴، علاقه به بازی Go (بازی استراتژیک روی تخته) را حفظ نموده و در آن به رتبه استاد دان یک دست یافت. نیکون کی-این، انجمن Go در ژاپن، در سال ۲۰۰۷ جایزه‌ مادام‌العمر خود را به وی اعطا نمود.

ویلیام اف برینکمن
ان پهوان اونگ
دانشگاه پرینستون
پرینستون، نیوجرسی

پاتریک ا لی
انستتیو صنعتی ماساچوست (MIT)
کمبریج

Physics Today 73, 6, 59 (2020);

)JUNE 2020 | PHYSICS TODAY)

تهیه و تنظیم :

دکتر پیمان صاحب سرا دانشگاه صنعتی اصفهان