作者：尤金妮·塞繆爾·賴希
弦理論被一些物理學家寄予厚望，希望它能夠統一引力和量子力學，而現在弦理論可能已經找到了實際應用。弦理論預測的一種黑洞可能有助於解釋一類被稱為“奇異金屬”的神秘材料的性質。
奇異金屬的電阻隨溫度線性增加，而不是像正常金屬那樣隨溫度的平方增加。它們還具有其他的能量激發，可以被認為是特別短壽命的粒子。
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奇異金屬包括高溫超導體，這種超導體在低於通常定義為高於液氮沸點（−196 °C）的臨界溫度時，完全沒有電阻。它們的性質困擾了凝聚態物理學家 20 多年，因為奇異金屬無法用費米液體模型來解釋，而費米液體模型可以捕捉正常金屬的性質。
2003 年，哈佛大學（位於馬薩諸塞州劍橋市）的凝聚態物理學家蘇比爾·薩克德夫和他的同事們提出了一個新的模型，稱為分形費米液體 (FFL)，該模型似乎可以解釋奇異金屬的某些性質，包括其電阻隨溫度的變化1。與標準的費米液體模型不同，在 FFL 中，材料中某些電子的量子力學自旋是連線在一起的。
現在，在 10 月 4 日發表於《物理評論快報》2 的一篇論文中，薩克德夫表明，FFL 模型的特性與弦理論中一類黑洞的特性相匹配。“我們離說弦理論解釋奇異物質還很遠，但我們抱有希望，”薩克德夫說。“這非常令人興奮，因為它是一個全新的視角。” 他補充說，他一直在以驚人的速度學習弦理論。
從塗抹到晶格
薩克德夫的結果建立在麻省理工學院理論物理學家約翰·麥格里維和他的同事們的工作基礎上，他們在 2009 年開始將稱為 AdS/CFT 對偶的弦理論猜想應用於奇異金屬。AdS/CFT 對偶在量子系統和引力物體之間建立了一種數學等價關係。麥格里維承認，他和他的同事們研究的量子系統非常抽象，因為它們的性質在空間中是連續塗抹開來的，而不是以階梯式量子方式變化的。麥格里維說，薩克德夫透過將引力物體，一種黑洞，應用於性質沿晶格階梯式變化的量子系統，提出了一個更現實的模型，就像奇異金屬的晶格結構一樣。“這仍然不是真實材料的模型，但朝著這個方向邁進了一步，”麥格里維說。
這並非弦理論首次應用於凝聚態物理學中的問題。2004 年，現在在加拿大不列顛哥倫比亞省維多利亞大學的帕維爾·科夫頓和他的同事們使用弦理論來描述在紐約州阿普頓的布魯克海文國家實驗室的 RHIC 加速器碰撞中產生的基本粒子湯，稱為夸克-膠子等離子體。但那一直被認為是一個相當孤立的例子，而其他嘗試將 AdS/CFT 對偶應用於凝聚態系統（包括超導體）的嘗試，並沒有真正成功地與現實模型聯絡起來，加利福尼亞大學聖巴巴拉分校的弦理論家喬·波爾欽斯基說。
物理學前沿
希望現在可以利用弦理論的技巧來改進 FFL 模型。其存在問題的一個方面是預測了一種物質狀態，該狀態在絕對零度（0 開爾文）時仍然具有一定程度的有序性（非零熵）。這違反了熱力學第三定律，該定律指出，對於 FFL，當系統冷卻到絕對零度時，熵應趨於零。薩克德夫說，他一直認為這是他的理論的一個缺點，但其他物理學家認為，這可能反而是在說明真實材料的一些深刻之處。“我們永遠不知道這是一個缺陷還是一個特徵，”波爾欽斯基說。
在最新的工作中，薩克德夫表明，FFL 模型的弦理論版本也違反了絕對零度下的熱力學第三定律。波爾欽斯基說，同一個問題在完全不同的數學框架中出現，表明它指向了真實世界中的某些東西。薩克德夫說，還需要做更多的工作才能確定這一點。
麥格里維認為，該理論正在發出自身不穩定性的訊號，因此真實材料將在高於 0 K 的溫度下轉變為另一種相。在對薩克德夫的文章3 的一篇評論文章中，麥格里維說，眾所周知，高溫超導體在冷卻時會從奇異金屬行為轉變為超導，從而避免進入零熵狀態。
即使弦理論成功地幫助凝聚態物理學家弄清楚奇異金屬，這也不一定意味著弦理論是對基本粒子和引力的正確描述。然而，這將意味著弦理論已經對某些事物有用。“這是一個重要的前沿，”麥格里維說。