数天后,徐辰觉得自己准备好了。
他打开电脑,调出了张乐阳发给他的那几千组原始数据。
屏幕上,密密麻麻的数字如同瀑布般流淌。
“先试试能不能用纯数学的方法暴力破解。”
徐辰並没有急著去思考物理机制,而是习惯性地祭出了数学工具。在他看来,只要函数足够复杂,就没有擬合不了的曲线。
他打开matlab,手指在键盘上飞快敲击。
“既然双带模型不行,那就试试多项式擬合。魏尔斯特拉斯逼近定理告诉我们,闭区间上的连续函数都可以被多项式一致逼近。”
徐辰的手指在键盘上停顿了一瞬。
这个定理是老熟人了,想当初在安城三中,他就是祭出了这个公式,把教导主任王德发忽悠得找不著北,最后只能留下一句“极具启发性”便落荒而逃。
徐辰的嘴角勾起一抹怀念的微笑,隨后注意力又很快回到了现实。
他直接调用了matlab的 polyfit函数,设置了一个高达12阶的多项式模型,点击运行。
屏幕闪烁了一下,一条蓝色的曲线出现在散点图中。
“嘖……”
徐辰皱起了眉头。
擬合是擬合上了,曲线完美地穿过了每一个数据点。但是,在数据点的边缘,曲线出现了剧烈的震盪,像是一条发疯的蛇。
这是典型的龙格现象。高阶多项式虽然能强行穿过数据点,但失去了物理意义,这种震盪是纯粹的数学偽影。
龙格现象是数值分析中一个著名的反直觉例子。1901年,德国数学家卡尔·龙格发现,当使用高阶多项式在等距节点上进行插值时,虽然在节点处的误差为零,但在区间的边缘,插值多项式会出现剧烈的震盪,误差反而趋向於无穷大。
这就像是为了强行穿过几个固定的针眼,线头不得不疯狂扭动,最终织出了一张乱七八糟的网。
此路不通。
“那就换个思路。既然张乐阳说可能是噪声,那我就看看这噪声到底长什么样。”
徐辰刪掉了多项式模型,重新加载了张乐阳他们用的“双带模型”。
运行,擬合,计算残差。
屏幕上跳出了一张新的图表——残差图。
所谓的残差,就是实验数据减去理论模型后的剩余部分。如果模型是完美的,那么残差应该是一堆围绕著零轴隨机跳动的白噪声,就像高斯分布描述的那样,无序且均匀。
但此刻,徐辰盯著屏幕上的残差图,眼神逐渐变得凝重。
“这不对劲。”
屏幕上的残差点,並没有隨机跳动。
它们连成了一条线。
一条有著明显规律的、类似正弦波的波浪线。
……
爱因斯坦说过,“上帝不会掷骰子”。虽然量子力学证明他是错的,但在宏观的统计规律下,上帝更不会掷出正弦波。这绝对不是隨机噪声。隨机噪声是熵增的產物,是无序的;而这个“噪声”,太有秩序了。
“难道是热漂移?”
这是物理实验中最常见的误差来源。隨著测量时间的推移,温度的微小变化会导致电阻发生线性漂移。通常可以通过检查残差与时间的相关性来排除。
徐辰立刻调出了数据文件中的元数据,提取了每一个数据点的时间戳。
他將残差对时间作图。
结果显示,残差与时间並没有明显的线性关係。
“不是热漂移。”徐辰排除了这个可能性,“如果是热漂移,误差应该隨时间单调增加。但这个误差是隨著磁场的变化而震盪的。”
“那难道是霍尔效应混入?”
这是张乐阳他们最怀疑的点。如果电极不对称,测量纵向电阻时会混入横向的霍尔电压。
徐辰调出了霍尔电阻的数据,將其与残差进行对比。
“形状不像。”徐辰摇了摇头,“霍尔电阻在强磁场下是线性的,而这个残差包含著高次谐波项。两者虽然有关联,但不能完全解释。”
……
排除法一个个做下来,徐辰陷入了沉思。
不是数学擬合不够好,不是隨机噪声,不是热漂移,也不是简单的霍尔混入。
“那就只剩下一个可能了。”
徐辰的目光变得锐利起来,想起了福尔摩斯的那句名言:“当你排除了所有不可能,剩下的那个,无论多么不可思议,都是真相。”
“最后的可能就是——模型本身就是错的。”
……
他重新审视张乐阳发给他的处理代码。代码写得很规范,每一步都有注释,显然是经过了多次打磨的標准流程。
徐辰的目光,最终锁定在了第24行:
#对数据进行对称化处理,以消除霍尔效应和热漂移 r_sym =(r(h)+ r(-h))/ 2
这行代码看起来是那么的理所当然。
在凝聚態物理中,这几乎是教科书级的操作。其理论基础是著名的“昂萨格倒易关係”。1931年,拉斯·昂萨格基於微观可逆性原理推导出了这一关係,並因此获得了诺贝尔化学奖。根据这个关係,电阻张量在磁场反转下应该保持对称,即 r??(h)= r??(-h)
任何不对称的部分(奇函数项),都被视为误差(比如霍尔效应),必须通过(r(h)+r(?h))/2(r(h)+ r(-h))/2(r(h)+r(?h))/2来剔除。
这就像是物理学界的“公理”,在过去的几十年里,无数实验物理学家都遵循著这一原则处理数据,从未有人质疑过。
“但是……”
徐辰的手指悬在键盘上。
“昂萨格倒易关係有一个前提:系统必须具有时间反演对称性,或者虽然破坏了时间反演,但宏观上没有破坏空间反演。”
“如果那个『幽灵』般的正弦波残差,恰恰就是被这行代码强行剔除掉的奇函数项呢?”
他深吸一口气,做了一个大胆的决定。
他在这行代码前,敲下了两个斜槓//。
注释掉!
“不许平均。我要看原原本本的、赤裸裸的数据。”
徐辰重新编写了绘图脚本。这一次,他將正向磁场(h>0h>0h>0)的数据画成红线,將反向磁场(h<0h<0h<0)的数据取绝对值后画成蓝线,並將它们叠加在同一张图上。
回车,运行。
屏幕刷新。
徐辰的瞳孔猛地收缩。
“抓到你了。”
屏幕上,红线和蓝线並没有重合。
它们之间,裂开了一道缝隙。
这道缝隙並不是杂乱无章的,它隨著磁场的变化,呈现出一种极其优美的、周期性的呼吸感。在某些磁场区间,红线在蓝线之上;在另一些区间,蓝线反超了红线。
这根本不是误差!
这是一个完美的、具有特定频率的物理信號!
“这就解释了为什么之前的擬合总是有『鼓包』。”徐辰恍然大悟,“因为张乐阳他们把这个本来存在的差异给强行平均了。就像是古希腊神话里的普罗克拉斯提斯之床,为了適应床的长度,强行把客人的腿截断或拉长。张乐阳他们为了適应『偶函数』这个床,强行截断了数据的『腿』!”
……
但问题来了。
为什么会有这个差异呢?
为什么 r(h)≠ r(-h)?
这可是挑战了昂萨格倒易关係啊!那可是热力学的基石,是写进教科书里的铁律。如果这个关係失效,那就意味著这块材料里,发生了一些非常规的、甚至可以说是“离经叛道”的物理过程。
徐辰的大脑飞速运转,调动著这几天在图书馆恶补的知识。
“昂萨格倒易关係失效?这不太可能,那是热力学第二定律的推论。”
昂萨格倒易关係是不可逆热力学的核心。它表明,如果一个系统处於平衡態附近,那么它的响应係数矩阵是对称的。
例如,热电效应中的塞贝克係数和帕尔帖係数是相等的。这个关係的微观基础是时间反演对称性,即微观粒子的运动方程在时间倒流下是不变的。如果宏观上观测到了不对称,那就意味著微观的时间反演对称性被打破了。
“除非……”
徐辰的脑海中闪过了一个极其冷门的概念——“磁手性各向异性”。
“除非,这个系统同时破坏了时间反演对称性和空间反演对称性!”