--- title: "热、偶然与集体行为" description: "原子怎样聚成液体，气候为什么会记住热量，网络又怎样找回一幅图案？从具体实验与问题读起，沿十四篇双语文章和四个互动模型探索。" canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/" language: "zh-CN" page_type: "story" alternate_languages: en: "https://sandboxphysics.com/stories/thermal-complexity/" last_modified: "2026-10-24" --- 14 篇文章 · 四个互动模型 · 中英双语 # 热、偶然与集体行为 原子怎样聚成液体，气候为什么会记住热量，网络又怎样找回一幅图案？从具体实验与问题读起，沿十四篇双语文章和四个互动模型探索。 动一下，看看接下来会怎样 ## 四个可以动手的物理问题 1. [看磁畴聚散 改变温度和尺寸，记录磁化怎样起伏。](https://sandboxphysics.com/zh/labs/ising-critical-fluctuations/) 2. [找回破损的图案 抹掉一部分图案，看网络怎样一步步找回它。](https://sandboxphysics.com/zh/labs/hopfield-associative-memory/) 3. [追踪进入海洋的热 改变外部加热，比较表层和深海的升温。](https://sandboxphysics.com/zh/labs/climate-energy-balance/) 4. [拨动一束磁场 激起一列波，看看磁场和密度怎样改变传播速度。](https://sandboxphysics.com/zh/labs/alfven-wave/) 阅读路径 · D-R1 ## 从气体追问原子 天平上一点点重量差、逐渐消失的气液界面、水中悬着的微粒，都曾把人带到肉眼看不见的原子面前。 1. ### [多出来的一点重量，让氩露了面](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/rayleigh-argon-density/) 称氮气的重量，怎么会找到空气中的另一种气体？ 2. ### [气体怎样变成液体，又怎样失去分界](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/van-der-waals-critical-point/) 要解释凝结，理想气体图景还缺什么？ 3. ### [Perrin 数着那些迟迟不沉底的小颗粒](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/perrin-sedimentation/) 显微镜里看得见的颗粒，怎样揭示水分子的尺度？ 4. ### [Bridgman 怎样把物质压进新的世界](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/bridgman-high-pressure/) 一个更好的密封，怎样让人看见高压下的物质变化？ 阅读路径 · D-R2 ## 有序怎样形成，又怎样遇到阻碍 临界点附近，小块连成大块。长分子会蜷成线团，液晶能排出方向，互相冲突的磁相互作用却让体系难以安顿。 1. ### [不同的物质，为什么在临界点附近变得相像](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/wilson-critical-scales/) Wilson 怎样理解大大小小、同时发生的涨落？ 2. ### [会流动的液体，也能保持方向](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/de-gennes-liquid-crystals/) 液晶流动时，究竟还保留了什么秩序？ 3. ### [一根长分子，怎样绕成一团](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/polymer-scaling/) 聚合物链团有多大，为什么不能只看链有多长？ 4. ### [没法同时照顾所有邻居的小磁铁](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/parisi-spin-glass/) Parisi 在看似混乱的自旋玻璃中，找到了什么结构？ 阅读路径 · D-R3a ## 天气天天变，气候怎样慢慢变 先沿一根大气柱追踪热量，再看看海洋怎样留下天气的记忆。两条思路，分别回答气候问题的一部分。 1. ### [真锅淑郎与 Wetherald 怎样算出大气会升温](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/manabe-radiative-convective/) 只算一根大气柱，怎样知道二氧化碳增加后地面会升温？ 2. ### [Hasselmann 发现海洋会记住天气](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/hasselmann-weather-climate/) 天气变化那么快，为什么能留下缓慢的气候变化？ 阅读路径 · D-R3b ## 让一张网络记住图案 一幅破损图案，可以沿着网络的更新逐渐恢复。再允许单元偶尔随机改变，就有了另一条学习图案分布的路。 1. ### [Hopfield 网络怎样找回破损的记忆](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/hopfield-energy-memory/) 一群只会开关的单元，怎样从残缺线索找回整幅图案？ 2. ### [Boltzmann 机怎样学会图案的规律](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/hinton-boltzmann-learning/) 学习图案的网络，为什么需要偶尔随机改变？ 阅读路径 · D-R4 ## 日光下的阀门，磁场中的波 灯塔的阀门利用几根杆在日光下不同的升温；导电流体弯折磁场后，磁张力又把它拉回去。看懂机制，才能知道该测什么。 1. ### [天亮以后，几根金属杆替灯塔关了灯](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/dalen-sun-valve/) Dalén 的太阳阀没有电，怎样认出天亮了？ 2. ### [磁场弯了一下，波就传了出去](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/alfven-magnetic-tension/) 磁场怎样把导电流体的扰动拉回来，形成一列波？ ## 工作在前，奖项在后 下面的年份对应文中讨论的论文或实验。诺奖年份单列；合作者与更早的工作，放在各篇文章中讲。 展开研究时间线 1. 1873 [气体怎样变成液体，又怎样失去分界](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/van-der-waals-critical-point/) 诺奖：1910 2. 1894 [多出来的一点重量，让氩露了面](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/rayleigh-argon-density/) 诺奖：1904 3. 1907 [天亮以后，几根金属杆替灯塔关了灯](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/dalen-sun-valve/) 诺奖：1912 4. 1908 [Perrin 数着那些迟迟不沉底的小颗粒](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/perrin-sedimentation/) 诺奖：1926 5. 1912 [Bridgman 怎样把物质压进新的世界](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/bridgman-high-pressure/) 诺奖：1946 6. 1942 [磁场弯了一下，波就传了出去](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/alfven-magnetic-tension/) 诺奖：1970 7. 1967 [真锅淑郎与 Wetherald 怎样算出大气会升温](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/manabe-radiative-convective/) 诺奖：2021 8. 1971 [不同的物质，为什么在临界点附近变得相像](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/wilson-critical-scales/) 诺奖：1982 9. 1972 [会流动的液体，也能保持方向](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/de-gennes-liquid-crystals/) 诺奖：1991 10. 1972 [一根长分子，怎样绕成一团](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/polymer-scaling/) 诺奖：1991 11. 1976 [Hasselmann 发现海洋会记住天气](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/hasselmann-weather-climate/) 诺奖：2021 12. 1979 [没法同时照顾所有邻居的小磁铁](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/parisi-spin-glass/) 诺奖：2021 13. 1982 [Hopfield 网络怎样找回破损的记忆](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/hopfield-energy-memory/) 诺奖：2024 14. 1985 [Boltzmann 机怎样学会图案的规律](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/hinton-boltzmann-learning/) 诺奖：2024 按十一个诺奖贡献分项查找 ### [1904-1](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1904/summary/) Lord Rayleigh - [多出来的一点重量，让氩露了面](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/rayleigh-argon-density/) ### [1910-1](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1910/summary/) Johannes Diderik van der Waals - [气体怎样变成液体，又怎样失去分界](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/van-der-waals-critical-point/) ### [1912-1](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1912/summary/) Gustaf Dalén - [天亮以后，几根金属杆替灯塔关了灯](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/dalen-sun-valve/) ### [1926-1](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1926/summary/) Jean Baptiste Perrin - [Perrin 数着那些迟迟不沉底的小颗粒](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/perrin-sedimentation/) ### [1946-1](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1946/summary/) Percy W. Bridgman - [Bridgman 怎样把物质压进新的世界](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/bridgman-high-pressure/) ### [1970-1](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1970/summary/) Hannes Alfvén - [磁场弯了一下，波就传了出去](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/alfven-magnetic-tension/) ### [1982-1](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1982/summary/) Kenneth G. Wilson - [不同的物质，为什么在临界点附近变得相像](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/wilson-critical-scales/) ### [1991-1](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1991/summary/) Pierre-Gilles de Gennes - [会流动的液体，也能保持方向](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/de-gennes-liquid-crystals/) - [一根长分子，怎样绕成一团](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/polymer-scaling/) ### [2021-1](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/summary/) Syukuro Manabe · Klaus Hasselmann - [真锅淑郎与 Wetherald 怎样算出大气会升温](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/manabe-radiative-convective/) - [Hasselmann 发现海洋会记住天气](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/hasselmann-weather-climate/) ### [2021-2](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/summary/) Giorgio Parisi - [没法同时照顾所有邻居的小磁铁](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/parisi-spin-glass/) ### [2024-1](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2024/summary/) John Hopfield · Geoffrey Hinton - [Hopfield 网络怎样找回破损的记忆](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/hopfield-energy-memory/) - [Boltzmann 机怎样学会图案的规律](https://sandboxphysics.com/zh/stories/thermal-complexity/hinton-boltzmann-learning/) ## 阅读时会遇到的几个词 展开术语表 - **临界点**: 气液共存曲线的终点。绕过这个点，液体可以连续变成气体，途中没有突然出现的界面。 - **涨落**: 一个量围绕平均值自发起伏，例如热运动下晶格的磁化时大时小。 - **关联长度**: 一个地方的变化，通常能和多远以外的变化保持联系。 - **普适性**: 微观细节不同的体系，在维度、对称性和相互作用范围等条件相同时，可能有相同的临界标度规律。 - **向列序**: 细长分子大致沿同一根轴排列，但分子中心仍可像液体一样移动，没有排成晶格。 - **阻挫**: 几种偏好互相冲突，没法同时满足。例如三个自旋两两都想反向排列，总有一对无法如愿。 - **辐射强迫**: 按指定的调整约定，地球收入减去支出的能量流改变了多少。必须说明采用哪一种强迫定义。 - **气候反馈**: 升温会改变辐射、水汽、云和冰雪；这些变化又会影响地球散热的速度。 - **联想记忆**: 只给出残缺或受干扰的线索，系统仍可能找回存过的图案。 - **能量景观**: 把网络每种排列的能量想成高度。更新一步步下坡，可能落进不同的局部低谷。 - **磁张力**: 导电流体中的磁场弯曲后，会沿曲率方向施加恢复力。 - **理想磁流体力学**: 把导电物质当作连续流体，并在所考察的尺度上忽略电阻扩散的描述。 ## 沿着相邻的问题读下去 [磁性、超导与材料器件](https://sandboxphysics.com/zh/stories/condensed-matter/) [量子物理与它背后的实验](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/) [光和粒子怎样测量物质](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/)