一般來說,我們在商店里買的巧克力,它是光滑、有光澤的固體,它會在33到34攝氏度之間融化。這個(gè)溫度略低于體溫,所以吃巧克力時(shí)它就會在嘴里融化。但假設(shè)巧克力因?yàn)槠渌蛉诨耍兂闪艘粋€(gè)糊狀物,物理學(xué)家就會說巧克力經(jīng)歷了從固態(tài)到液態(tài)的相變。這時(shí)候,我們只要把它放進(jìn)冰箱,當(dāng)巧克力的溫度降低時(shí),它又會經(jīng)歷另一個(gè)相變并變回固體。
現(xiàn)在巧克力看起來不一樣了,它不僅失去了原有的形狀,變得不再像以前那樣光滑和閃亮,而且它現(xiàn)在變得更容易融化,熔點(diǎn)從大約34攝氏度下降到大約28攝氏度。之所以這樣,是因?yàn)榍煽肆θ诨⒃俅巫兂晒腆w,它就不會形成與以前相同的結(jié)構(gòu)。
巧克力可以在相同的溫度下處于不同的狀態(tài),這取決于它是如何到達(dá)那個(gè)狀態(tài)的。在物理學(xué)中,我們稱之為系統(tǒng)狀態(tài)的路徑依賴性,這通常意味著系統(tǒng)具有幾種不同的平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)只是一種不會隨時(shí)間變化的狀態(tài),然而就像巧克力一樣,這些狀態(tài)可以長期存在,但并不是永遠(yuǎn)穩(wěn)定的。
巧克力只是用于路徑依賴的一個(gè)示例,物理學(xué)中一個(gè)更好的例子是鐵磁體的磁化。鐵磁體的電子殼結(jié)構(gòu)意味著金屬中的原子本身就是微小的磁體,它能被磁化的原因是這些微小的磁體喜歡對齊它們的方向。
現(xiàn)在,如果我們拿來一塊鐵磁金屬,它的原子磁體是無序的,此時(shí)它是沒有被磁化的。如果我們對該金屬施加磁場,原子將開始與磁場對齊,因?yàn)檫@在能量上是最有利的。在某些時(shí)候,原子全部指向同一個(gè)方向,金屬的磁化飽和。然而如果我們關(guān)閉磁場,其中一些原子會因?yàn)闊徇\(yùn)動等原因再次無序。然而,在室溫下,金屬將保持大部分磁化,這就是鐵磁體的特別之處。
現(xiàn)在,我們再次打開外部磁場但將其強(qiáng)度增加到另一個(gè)方向,那么原子磁體將開始排列指向另一個(gè)方向直到飽和。再次關(guān)閉外部磁場,金屬還是保持大部分磁化,只是方向與最初相反。然后再次打開外部磁場轉(zhuǎn)回另一側(cè),然后磁鐵將返回使第一個(gè)方向上的磁化飽和。
我們可以繪制磁鐵的這種行為,橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別顯示了外部磁場和磁鐵的磁化強(qiáng)度,如下圖所示。從零開始使指向右側(cè)的磁化飽和,將外部磁場變?yōu)榱悖盆F保留了大部分磁化。使指向左側(cè)的磁化飽和,將外部磁場變回零,但保持大部分磁化,并再次向右飽和磁化。 ?
這就是所謂的磁滯回線,它與路徑依賴是一樣的意思。金屬的磁化是指向一個(gè)方向還是另一個(gè)方向,并不僅僅取決于外部磁場,還取決于是如何獲得該磁場的。我們可以看到,如果外場為零,磁體具有兩種不同的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。這種路徑依賴性也是磁鐵可以用來存儲信息的原因。路徑依賴基本上意味著系統(tǒng)有記憶。
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原文標(biāo)題:路徑依賴:巧克力與磁鐵的共同點(diǎn)
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