这项研究于今年四月份发表在《自然》杂志上 。

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论文链接：https://www.quantamagazine.org/a-new-theory-for-systems-that-defy-newtons-third-law-20211111/
论文预印本链接：https://arxiv.org/pdf/2003.13176.pdf
对称性破缺
这项研究不是从鸟类或神经元开始的 ， 而是从量子怪异（weirdness）开始 。 几年前 ，本文的两位作者——芝加哥大学博士后研究员 Ryo Hanai 和他的导师 Peter Littlewood 研究了一种叫做电磁极化子的准粒子 。
准粒子本身不是粒子 ， 而是一系列量子行为的集合 ， 这些行为似乎应该与一个粒子相联系 。 当光子与激子（本身是准粒子）耦合时 ， 就会出现极化子 。 极化子的质量非常低 ， 这意味着它们可以非常快速地移动 ， 并且可以在比其他粒子更高的温度下形成一种被称为玻色–爱因斯坦凝聚 (BEC) 的物质状态——在这种状态下 ， 原本分离的原子全部坍缩成一个量子态 。
但是 ， 使用极化子创建 BEC 很复杂 ， 会出现泄露（leaky） 。 一些光子不断地逃离系统 ， 这意味着系统中需要不断泵入（pump）光来弥补损失 。 这意味着它失去了平衡 。 「从理论上来看 ， 这点对我们来说非常有趣 ， 」Hanai 表示 。

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相变 ， 例如水结成冰 ， 在平衡系统中是很容易理解的 。 但芝加哥大学的 Peter Littlewood（左）和 Ryo Hanai 发现 ， 在能量不断泵入的量子系统时 ， 相变可以理解为奇点 ， 称为 exceptional point 。
对 Hanai 和 Littlewood 来说 ， 这类似于创造激光器 。 「光子一直在泄漏 ， 但尽管如此 ， 你仍然可以保持某种相干态 ， 」Littlewood 表示 。 出现这种状况的原因是不断添加新能源为激光器提供动力 。 研究人员想知道：失去平衡如何影响向 BEC 或其他奇异的物质量子态的转变？尤其是 ， 这种变化如何影响系统的对称性？
对称性的概念是相变的核心 。 液体和气体被认为是高度对称的 ， 如果你以分子大小的射流击穿它们 ， 粒子在每个方向上的喷射看起来都一样 。 但如果穿过的是晶体或其他固体 ， 你会发现分子都是直线排列的 ， 你所看到的模式由你所处的位置决定 。 研究人员表示 ， 当一种材料从液体或气体变成固体时 ， 它的对称性就被破坏了 。
在物理学中 ， 研究最多的相变之一出现在磁性材料中 。 类似铁或镍这样的磁性材料中的原子都有一种叫做磁矩的东西 ， 磁矩是一个很小的单独磁场 。 在磁体中 ， 这些磁矩都指向同一个方向 ， 共同产生磁场 。 但如果你对材料进行充分加热 ， 即使是用蜡烛 ， 这些磁矩就会变得非常混乱 。 有些磁矩指向一种方向 ， 而另一些指向不同的方向 。 整体磁场消失 ， 对称性恢复 。 当磁体冷却时 ， 磁矩再次对齐 ， 打破自由形式的对称性 ， 并恢复磁性 。
鸟群也可以被视为对称性破缺：它们不是随机方向飞行 ， 而是像磁体中的自旋一样排列 。 但这里有一个重要的区别：铁磁性相变很容易用统计力学来解释 ， 因为它是一个平衡系统 。
但是鸟类 ， 以及细胞、细菌 ， 又或者是路上行驶的汽车 ， 会给自身系统提供新的能量 。 因为它们有内能来源 ， 所以它们的行为就有所不同 。 而且因为它们不保存能量 ， 就系统而言 ， 这些能量不知是从哪里出现的 。
跳出固有思维
Hanai 和 Littlewood 通过思考众所周知的相变开始他们对 BEC 相变的研究 。 对于水来说 ， 尽管液态水和蒸汽看起来不同 ， 但它们之间基本上没有对称性区别 。 从数学的角度来说 ， 在相变点 ， 这两种状态是无法区分的 。 在平衡系统中 ， 该点被称为临界点 。