數天後,徐辰覺得自己準備好了。
他開啟電腦,調出了張樂陽發給他的那幾千組原始資料。
螢幕上,密密麻麻的數字如同瀑布般流淌。
(
「先試試能不能用純數學的方法暴力破解。」
徐辰並冇有急著去思考物理機製,而是習慣性地祭出了數學工具。在他看來,隻要函式足夠複雜,就冇有擬合不了的曲線。
他開啟MATLAB,手指在鍵盤上飛快敲擊。
「既然雙帶模型不行,那就試試多項式擬合。魏爾斯特拉斯逼近定理告訴我們,閉區間上的連續函式都可以被多項式一致逼近。」
徐辰的手指在鍵盤上停頓了一瞬。
這個定理是老熟人了,想當初在安城三中,他就是祭出了這個公式,把教導主任王德發忽悠得找不著北,最後隻能留下一句「極具啟發性」便落荒而逃。
徐辰的嘴角勾起一抹懷唸的微笑,隨後注意力又很快回到了現實。
他直接呼叫了MATLAB的 polyfit函式,設定了一個高達12階的多項式模型,點選執行。
螢幕閃爍了一下,一條藍色的曲線出現在散點圖中。
「嘖……」
徐辰皺起了眉頭。
擬合是擬合上了,曲線完美地穿過了每一個資料點。但是,在資料點的邊緣,曲線出現了劇烈的震盪,像是一條發瘋的蛇。
這是典型的龍格現象。高階多項式雖然能強行穿過資料點,但失去了物理意義,這種震盪是純粹的數學偽影。
龍格現象是數值分析中一個著名的反直覺例子。1901年,德國數學家卡爾·龍格發現,當使用高階多項式在等距節點上進行插值時,雖然在節點處的誤差為零,但在區間的邊緣,插值多項式會出現劇烈的震盪,誤差反而趨向於無窮大。
這就像是為了強行穿過幾個固定的針眼,線頭不得不瘋狂扭動,最終織出了一張亂七八糟的網。
此路不通。
「那就換個思路。既然張樂陽說可能是噪聲,那我就看看這噪聲到底長什麼樣。」
徐辰刪掉了多項式模型,重新載入了張樂陽他們用的「雙帶模型」。
執行,擬合,計算殘差。
螢幕上跳出了一張新的圖表——殘差圖。
所謂的殘差,就是實驗資料減去理論模型後的剩餘部分。如果模型是完美的,那麼殘差應該是一堆圍繞著零軸隨機跳動的白噪聲,就像高斯分佈描述的那樣,無序且均勻。
但此刻,徐辰盯著螢幕上的殘差圖,眼神逐漸變得凝重。
「這不對勁。」
螢幕上的殘差點,並冇有隨機跳動。
它們連成了一條線。
一條有著明顯規律的、類似正弦波的波浪線。
……
愛因斯坦說過,「上帝不會擲骰子」。雖然量子力學證明他是錯的,但在宏觀的統計規律下,上帝更不會擲出正弦波。這絕對不是隨機噪聲。隨機噪聲是熵增的產物,是無序的;而這個「噪聲」,太有秩序了。
「難道是熱漂移?」
這是物理實驗中最常見的誤差來源。隨著測量時間的推移,溫度的微小變化會導致電阻發生線性漂移。通常可以通過檢查殘差與時間的相關性來排除。
徐辰立刻調出了資料檔案中的後設資料,提取了每一個資料點的時間戳。
他將殘差對時間作圖。
結果顯示,殘差與時間並冇有明顯的線性關係。
「不是熱漂移。」徐辰排除了這個可能性,「如果是熱漂移,誤差應該隨時間單調增加。但這個誤差是隨著磁場的變化而震盪的。」
「那難道是霍爾效應混入?」
這是張樂陽他們最懷疑的點。如果電極不對稱,測量縱向電阻時會混入橫向的霍爾電壓。
徐辰調出了霍爾電阻的資料,將其與殘差進行對比。
「形狀不像。」徐辰搖了搖頭,「霍爾電阻在強磁場下是線性的,而這個殘差包含著高次諧波項。兩者雖然有關聯,但不能完全解釋。」
……
排除法一個個做下來,徐辰陷入了沉思。
不是數學擬合不夠好,不是隨機噪聲,不是熱漂移,也不是簡單的霍爾混入。
「那就隻剩下一個可能了。」
徐辰的目光變得銳利起來,想起了福爾摩斯的那句名言:「當你排除了所有不可能,剩下的那個,無論多麼不可思議,都是真相。」
「最後的可能就是——模型本身就是錯的。」
……
他重新審視張樂陽發給他的處理程式碼。程式碼寫得很規範,每一步都有註釋,顯然是經過了多次打磨的標準流程。
徐辰的目光,最終鎖定在了第24行:
#對資料進行對稱化處理,以消除霍爾效應和熱漂移 R_sym =(R(H) R(-H))/ 2
這行程式碼看起來是那麼的理所當然。
在凝聚態物理中,這幾乎是教科書級的操作。其理論基礎是著名的「昂薩格倒易關係」。1931年,拉斯·昂薩格基於微觀可逆性原理推匯出了這一關係,並因此獲得了諾貝爾化學獎。根據這個關係,電阻張量在磁場反轉下應該保持對稱,即 Rₓₓ(H)= Rₓₓ(-H)
任何不對稱的部分(奇函式項),都被視為誤差(比如霍爾效應),必須通過(R(H) R(−H))/2(R(H) R(-H))/2(R(H) R(−H))/2來剔除。
這就像是物理學界的「公理」,在過去的幾十年裡,無數實驗物理學家都遵循著這一原則處理資料,從未有人質疑過。
「但是……」
徐辰的手指懸在鍵盤上。
「昂薩格倒易關係有一個前提:係統必須具有時間反演對稱性,或者雖然破壞了時間反演,但宏觀上冇有破壞空間反演。」
「如果那個『幽靈』般的正弦波殘差,恰恰就是被這行程式碼強行剔除掉的奇函式項呢?」
他深吸一口氣,做了一個大膽的決定。
他在這行程式碼前,敲下了兩個斜槓//。
註釋掉!
「不許平均。我要看原原本本的、**裸的資料。」
徐辰重新編寫了繪圖指令碼。這一次,他將正向磁場(H>0H>0H>0)的資料畫成紅線,將反向磁場(H<0H<0H<0)的資料取絕對值後畫成藍線,並將它們疊加在同一張圖上。
回車,執行。
螢幕重新整理。
徐辰的瞳孔猛地收縮。
「抓到你了。」
螢幕上,紅線和藍線並冇有重合。
它們之間,裂開了一道縫隙。
這道縫隙並不是雜亂無章的,它隨著磁場的變化,呈現出一種極其優美的、週期性的呼吸感。在某些磁場區間,紅線在藍線之上;在另一些區間,藍線反超了紅線。
這根本不是誤差!
這是一個完美的、具有特定頻率的物理訊號!
「這就解釋了為什麼之前的擬合總是有『鼓包』。」徐辰恍然大悟,「因為張樂陽他們把這個本來存在的差異給強行平均了。就像是古希臘神話裡的普羅克拉斯提斯之床,為了適應床的長度,強行把客人的腿截斷或拉長。張樂陽他們為了適應『偶函式』這個床,強行截斷了資料的『腿』!」
……
但問題來了。
為什麼會有這個差異呢?
為什麼 R(H)≠ R(-H)?
這可是挑戰了昂薩格倒易關係啊!那可是熱力學的基石,是寫進教科書裡的鐵律。如果這個關係失效,那就意味著這塊材料裡,發生了一些非常規的、甚至可以說是「離經叛道」的物理過程。
徐辰的大腦飛速運轉,調動著這幾天在圖書館惡補的知識。
「昂薩格倒易關係失效?這不太可能,那是熱力學第二定律的推論。」
昂薩格倒易關係是不可逆熱力學的核心。它表明,如果一個係統處於平衡態附近,那麼它的響應係數矩陣是對稱的。
例如,熱電效應中的塞貝克係數和帕爾帖係數是相等的。這個關係的微觀基礎是時間反演對稱性,即微觀粒子的運動方程在時間倒流下是不變的。如果宏觀上觀測到了不對稱,那就意味著微觀的時間反演對稱性被打破了。
「除非……」
徐辰的腦海中閃過了一個極其冷門的概念——「磁手性各向異性」。
「除非,這個係統同時破壞了時間反演對稱性和空間反演對稱性!」