从沙子到会“思考”的智能材料，张朝阳与物理学家刘若微揭秘世界的底层逻辑

< img id="wx_img" src="https://www.qbitai.com/wp-content/uploads/imgs/qbitai-logo-1.png" width="400" height="400"> 从沙子到会“思考”的智能材料，张朝阳与物理学家刘若微揭秘世界的底层逻辑 思邈 2026-08-19 14:35:42 来源： 量子位 允中 发自 凹非寺 量子位 | 公众号 QbitAI 8月12日，搜狐视频关注流《张朝阳的物理课》“基础科学大会系列对谈”重磅开启。 搜狐创始人、董事局主席兼首席执行官、物理学博士 张朝阳 ，与宾夕法尼亚大学物理教授及软物质与生命物质研究中心主任 刘若微（Andrea J. Liu）教授 展开深度对话。 刘若微教授是非平衡统计物理领域的标杆学者，凭借在阻塞相变与无序固体领域的开创性贡献，她与合作者斩获2025年美国物理学会Leo P. Kadanoff奖，并于今年荣获国际基础科学大会的 玛丽·居里物理学奖章 。 二人以“复杂的世界：从沙子到智能”为主题，从日常可见的沙堆、泡沫切入，深入软物质与非平衡统计物理的前沿领域，探寻无序系统中的普适规律，并延伸探讨了低功耗类脑智能材料的研究路径与未来潜力。 （本文基于直播对话整理，为便于理解，对口语表达进行了提炼与重组，未改变实质性观点，特此备注） 一、阻塞相变：无序物质如何获得刚性 张朝阳： 今天是一堂特殊的物理课，也是与国际基础科学大会相关的年度对话。每年七八月份，世界各地顶尖科学家来中国参加大会，我都会采访几位领军科学家，作为物理课的延伸。 今天的嘉宾是著名物理学家刘若微教授。刘教授是杰出的理论物理学家，宾夕法尼亚大学物理系教授，在凝聚态的软物质与活性物质领域作出了卓越贡献，尤其以阻塞理论（Jamming Theory）闻名。 她于2025年获得美国物理学会Leo P. Kadanoff奖，并荣获国际基础科学大会玛丽·居里物理学奖章。祝贺你，了不起的成就！ 张朝阳： 我们知道固体物理中的晶格结构可以用量子力学描述，而研究流体用的工具是玻尔兹曼方程或纳维-斯托克斯方程，此时单个粒子细节被粗粒化，关注的是整体行为。 刘教授的工作处于中间地带——软物质物理。软物质既不是长程有序的理想晶体，也不是忽略颗粒细节的连续介质流体。 她最新的研究成果非常有希望成为可被参数调控、具有记忆和学习能力的可计算物质。这非常令人振奋，和当下的AI发展相关但又不同，因为它可能耗能极低。 这就是基本背景，我们开始讨论吧。 刘若微： 软物质可以是液晶，也可以是微米尺度的小颗粒。这类系统的组成单元足够大，或者温度足够高，因此量子效应没有那么重要。 当你把它们大量放在一起，就会涌现出难以理解的集体行为。我最喜欢的例子是剃须泡沫。你把剃须泡沫从罐子里喷出来，把它塑成一个形状，它会保持那个形状。它不会从你手上像水一样流走，也不会消散到空气中，它表现得像一个固体。可是它的组成成分95%是气体，5%是液体，甚至可以是0.1%的液体，99.9%的气体。 张朝阳： 那用什么力学模型来描述它呢？ 刘若微： 模型很简单：软球模型。我们物理学家喜欢球。如果两个球不重叠，就没有相互作用。但一旦发生重叠，就好像有一根谐振弹簧把它们推开。 张朝阳： 那分开时它们有吸引力吗？ 刘若微： 分开时完全没有力，只有重叠时才有排斥。这个简单模型不仅是研究泡沫现象的出发点，也可以作为颗粒物质的出发点，比如沙子。虽然真实的沙粒通常不是球形，而且有摩擦。 张朝阳： 球要多大？ 刘若微： 尺度本身不重要，但这提供了一个出发点。它可以用于更小的颗粒，胶体、纳米颗粒，甚至玻璃。山体滑坡中的巨石也可以。关键在于这个简单模型抓住了无序固体为什么会具有刚性、为什么会成为固体而不是液体的本质。 刘若微： 这个体系存在相变。在零温时假设密度很低，即球只占总体积很小一部分，所有排斥都可以消失，所有球都可以互不重叠，此时最小化能量为零。 这个状态在力学意义上是流体：如果我对它做剪切，能量最小化后总能重新找到互不重叠的构型。如果不断提高密度，就会达到临界体积分数，记作，此时重叠再也无法避免。 张朝阳： 这个数大于1还是小于1？ 刘若微： 三维情况下它是一个很有意思的数，叫随机密堆积（random close packing），对于无序球大约是64%。超过它后，体系就变成了固体，有了剪切模量。 我们知道有一级相变和连续相变。水冻成冰是典型的一级相变，它的晶体结构突然变成周期性的，密度发生不连续跳变，剪切模量从零跳跃到一个有限的非零值。而阻塞相变是连续的。在临界体积分数处剪切模量为零，再稍微把系统压紧实一点，剪切模量会遵循幂律逐渐上升。 这类似于液－气相变临界点附近的行为：沿着气液共存线远离临界点时，液体和气体的密度差按幂律增长。 张朝阳： 那这个阻塞相变是不是发生在固体的一阶相变之前？ 刘若微： 如果考虑热涨落，并且球都一样大，随密度增加体系会从液体结晶到面心立方晶体，相变从大约52%体积分数就会开始，比64%低。 但如果你足够快地提高密度，或者让球的尺寸不同，就能抑制结晶，一直到接近64%才变成固体，形成无序固体，这就是阻塞态。 刘若微： 在三维里这个幂律指数约0.328，对任何普通流体都一样，不管它由什么组成。甚至当我们混合两种可以相分离的液体时，也是同样的指数。伊辛模型也是0.328。这种现象叫普适性。 它要归功于Wilson和重整化群：不同系统属于同一个普适类，临界指数是普适的。 刘若微： 但阻塞和标准临界点非常不同。相似的是它们都有发散的关联长度；不同的是标准临界相变有一个发散关联长度；阻塞至少有两个不同的关联长度发散，还有一个趋于零的微观尺度。 这些特征让阻塞成为一种非常独特的相变。我们称之为随机一阶相变。它可以借助在无穷维极限下建立的理论框架来理解这一相变，即复制对称破缺理论，这正是乔治·帕里西（Giorgio Parisi）获得2021年诺贝尔奖的工作。 张朝阳： 那具体讲讲你的工作贡献吧。你们解决了什么？ 刘若微： 我们识别出了阻塞相变的一系列性质，它有多个发散的长度尺度，并且建立了阻塞相变的标度理论。 张朝阳： 有了标度理论是不是有了一套可以描述这些软物质行为的统一理论？你们应用重整化群了吗？ 刘若微： 没有。对标准临界相变而言，标度理论通常由重整化群来解释；但阻塞理论目前还做不到，它给了我们一个统一框架。比如沙子：真实沙粒不是完美球形，而且有摩擦。 那么我们就可以从最简单的球模型出发，再问：偏离球形会怎样改变相变？摩擦会怎样改变？真实体系里还有吸引力，吸引作用会怎样影响？ 所以我们先有一个清晰的起点，然后逐项加入真实系统里存在的其他因素，看这些因素怎样修正阻塞物理。这样就能用一种统一的视角看待很多不同体系。 张朝阳： 钻石是晶体，但也不是完美的。而软物质在现实里到处都是。 刘若微： 全世界几乎所有大学的物理系都会开一整门固体物理课讲授完美晶体。 但完美晶体严格说只有在零温度下才可能存在，现实中也不可能真正制造出绝对完美的晶体。而软物质到处都是。 两者都在零温下讨论：一个是有序的晶体态；另一个无序。为什么我们愿意花十五周时间学习完美晶体？因为它对缺陷和无序具有鲁棒