科学家在研究超导时发现了一类电阻规律极不寻常的“奇异金属”。这挑战了传统的电子导电理论，促使物理学家利用量子汤和黑洞模型重新定义电流。
大约40年前，物理学家注意到某些金属的导电方式极其怪异，这迫使我们不得不重新思考电流究竟是如何流动的。在1980年代中期，一项意外发现引发了科学史上最狂热的时期之一。当时研究人员发现了一些在极高温度下能转化为超导体的材料，也就是电阻为0的材料。几乎在一夜之间，全球的实验室都搁置了原有的项目，纷纷投身其中。媒体也宣称无损输电、磁悬浮列车和超性能计算机的时代即将到来，这项发现甚至在1年内就获得了诺贝尔奖。
然而在当时的狂热中，这些材料的另一个古怪特性却很容易被忽略。即便温度太高无法进入超导状态，它们导电的方式依然奇特，表现出一种现有理论无法解释的异常电阻。这种后来被称为“奇异金属”的行为，在当时只是电阻消失这一核心研究的副产物。40年过去了，我们依然没能完全理解高温超导，也没能找到常温常压下的超导材料，但奇异金属行为逐渐成为了研究重点。物理学家不得不开始质疑电流流动的核心假设，并借用了从量子汤到黑洞等各种异想天开的概念。
现在的实验正在让我们接近真相，理解奇异金属的导电性可能最终帮助我们解释超导现象。哈佛大学的理论物理学家Subir Sachdev认为，其中一定隐藏着某些关键答案。通常人们认为，金属导电是因为其中充满了自由移动的电子，仅1厘米长的普通导线中，自由流动的电子数量就和沙滩上的沙粒一样多。一旦接通电池，电子会被负极排斥并被正极吸引，从而产生电流。
这是我们在学校学到的简化图像。在物理学界，更精确的观点源于Lev Landau在1950年代提出的“准粒子”概念。你可以把它想象成体育馆里观众做的波浪舞，每个人只是上下移动，但整体却形成了一个横向扫过的波动。Lev Landau认为，传导电流的不是纯粹的电子，而是一种像电子一样的准粒子，它是由于材料内部粒子相互作用而产生的某种激发态。
70年来，准粒子帮助物理学家准确预测了几乎所有材料特性，从热容到磁化率。包括iPhone在内的整个电子工业都建立在这个理论的成功之上。在室温下，原子结构的振动会干扰这些准粒子，从而产生电阻，而在低温下，电阻主要来自准粒子之间的相互碰撞。但在奇异金属中，情况变得复杂了。普通导体在低温下的电阻随温度平方增长，即温度翻倍，电阻增加4倍，这在材料科学中很直观。然而在奇异金属中，电阻和温度的关系是一条直线。这种线性规律没有明显的准粒子行为可以解释，物理学家对此感到非常困惑，Joseph Polchinski甚至曾称其为“来自地狱的导体”。
有些研究者认为答案并不复杂。哈佛大学的Eric Heller及其同事去年提出，金属内部的原子振动可能是这种线性关系的源头，因为在室温下的铜也表现出类似的规律。但大多数物理学家并不信服，因为在奇异金属表现出怪异行为的低温下，这些振动理论上早该“冻结”消失了。
另一种更激进的解释认为，电子被困在了不同的有序状态之间。在某些相变边缘，电子会产生转瞬即逝的模式，就像天空中成群飞翔的欧洲椋鸟。布里斯托大学的Stephen Hayden及其团队利用拉瑟福德·阿普尔顿实验室的中子束进行研究，发现电子自旋的波动确实与温度同步加剧或减慢。这提供了强有力的证据，证明集体模式而非单个粒子才是奇异金属行为背后的推手。
如果电阻不是由个体碰撞产生的，那电流究竟是什么？Subir Sachdev在1990年代与现就职于密西西比州立大学的Jinwu Ye合作，提出了一个极其简化的模型，其中没有空间或原子结构，每个电子都与其他所有电子相连。在该模型中，电扰动衰减的速率与温度成正比，尽管其中没有任何个体粒子。
随着在铁基超导体、扭曲石墨烯以及镍氧化物等更多材料中发现这种行为，解决奇异金属问题的紧迫性日益增加。突破出现在一个意想不到的领域，1990年代末，弦理论学家发现了一种“全息”数学技巧，可以用包裹某个空间的边界来描述其内部发生的一切，这也被用于描述黑洞。剑桥大学的Sean Hartnoll等人证明，在某些模型中，奇异金属中的电流可以被视为类似于黑洞事件视界附近的某种光线运动。
虽然没人认为奇异金属真的是黑洞，但这提供了一个研究切入点。加州理工学院的Alexei Kitaev随后提出的一种全息模型，被发现与Subir Sachdev早期的工作惊人相似。物理学家据此构建了SYK模型家族，这些模型越来越像真实的材料。SYK模型不仅预测了线性电阻，还暗示电阻正在触及某种由普朗克常数决定的宇宙速度极限。
这种理论的一个令人不安的结论是，奇异金属中的电流可能没有直观的解释。物理学家或许不得不接受它是一种“量子汤”，只受宏观普律约束，而不再涉及个体粒子。这有点像回到了19世纪，当时科学家认为电流就像流体一样。随着原子理论的出现，物理学家已经习惯了所有宏观行为都建立在微观物理基础之上，现在移除这个基础，让许多人感到无所适从。
现在的关键问题是，这种导电方式是否真的与个体粒子无关，或者说全息模型是否只是掩盖了某种更基础的粒子规律。莱斯大学的实验物理学家Doug Natelson通过测量“散粒噪声”来寻找答案。如果电流是由单个电荷携带者传导的，就像雨点打在窗户上的声音，应该产生特定的噪声。但在2023年对纯净奇异金属导线的测量中，这种噪声远低于预期，虽然不是0，但这暗示了某种“汤”的状态。印度科学理工学院的Anindya Das等人也在尝试重复这类实验。
如果我们能重构奇异金属的导电图像，是否能帮助我们实现常温超导？Subir Sachdev及其同事发现，改进后的SYK模型可以在同一系统中同时预测出奇异金属电阻和低温超导相。尽管目前他的模型还无法预测超导发生的具体温度，但奇异金属与超导可能正是同一种量子汤的不同表现形式。
在发现高温超导40年后，物理学家们已经拥有了从集体波动到全息理论的一系列新工具。这个谜团不再像以前那样深不可测。正如Sean Hartnoll所说，随着这些理论的结合，我们终将看清其中的奥秘。
原文：https://www.sciencealert.com/the-worlds-blackest-paint-could-stop-satellites-ruining-astronomers-views