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Sandbox Physics
有序怎样形成,又怎样遇到阻碍

热 · 偶然 · 集体行为

不同的物质,为什么在临界点附近变得相像

Wilson 怎样理解大大小小、同时发生的涨落?

转变附近,小片区域开始成群变化

流体接近气液临界点时,会变得混浊。一大片区域一起变密,另一片又变稀,它们散射光,让原本透明的东西显出雾气。磁体快要失去永久磁性时,也有相近的困难:许多原子小磁铁会一起涨落。材料很不一样,某些测量结果却遵循相同的数学规律。

离临界点很远时,一小片区域的变化通常传不了多远。旁边会受影响,再远一点就弱了。到了转变附近,许多粒子可能一起变化,关联延伸得越来越远。物理学家把这个范围称为关联长度。范围变大以后,大块、小块的涨落都能影响整个样品。

来源:[1][2]

把周围取个平均,会漏掉要紧的事

早先一种有用的办法,是把每个粒子周围忽强忽弱的作用,换成一个平均环境。这叫平均场近似。它能解释相邻小磁铁偏爱同向,也能解释分子为何倾向聚成液体。可越靠近临界点,大范围的协同变化越重要,一个平滑的平均环境就越来越不够。

困难来自层层相连的变化。大涨落里面有小涨落,小涨落里又有更小的变化,需要把这些尺寸一同考虑。只盯住一个分子或一个自旋,便容易漏掉不同尺度之间的联系。

实验还提供了更奇怪的线索。某些响应量随温度接近临界点而增长,或逐渐归零,增长与下降的快慢可以按幂次来描述。微观作用很不同的材料,有时会出现相同的幂次。哪些细节最后留了下来,哪些被抹平,理论必须说清楚。

来源:[1]

把图看粗一点,也把理论跟着改

Leo Kadanoff 曾提出把自旋分成小块,每块用一个较大的有效单元代替,再把观察距离拉远。Wilson 把这个想法发展成计算方法。小尺度细节被平均掉以后,大单元之间的作用规则也会改变;追踪规则怎样变,就是重整化群方法的核心。

可以想象一幅由明暗小方格组成的图。每一小块换成一种代表色,再重复一次,精细纹理会逐渐消失。临界点附近,大大小小的成片区域仍在,每看粗一级,图案可能又像原先一样。真正的物理计算还要同步改变相互作用,单纯给图像做多数表决,只能帮助想象这个过程。

如果一套有效规则经过尺度变换又回到自己,就称为固定点。不同材料从各自的微观规则出发,可能逐渐靠近同一个固定点。材料细节仍决定实际转变温度等数值,但大尺度的临界行为可以归入同一类,这就是普适类。空间维数、系统允许怎样的对称变化,以及作用能传多远,都影响它属于哪一类。长程作用可以改变普适类。

Wilson 在 1971 年的论文中说明,尺度关系怎样从不断变化的作用规则中出现。他还与 Michael Fisher 合作,在接近四维的情形下系统计算临界幂次,把一层层看粗的图景连到了可以与实验比较的数字。

来源:[2][3]

有限大小的图,也能看出靠近临界的过程

计算机里只能放有限个格点。涨落长到系统那么大,就没有地方继续长,原本尖锐的转变会被抹圆。比较几种尺寸,便能看出转变变圆的程度、响应峰出现的位置怎样改变。经典热平衡 Ising 实验里,温度与系统大小都值得认真调整。

1982 年物理学奖表彰 Wilson 的临界现象理论。大尺度行为,需要从描述怎样随尺度变化来理解。当决定长程行为的条件相同,流体、磁体与简单统计模型,就可能显出共同的临界图案。

来源:[4][1]

来源与阅读说明

  1. Kenneth G. Wilson, The Renormalization Group and Critical Phenomena (Nobel lecture, 1982)

    读多种尺度上的涨落,理解临界点附近为什么不能只用均匀环境来近似。

  2. Kenneth G. Wilson, Renormalization Group and Critical Phenomena. I. Renormalization Group and the Kadanoff Scaling Picture (1971)

    追踪尺度改变、有效作用改变与固定点之间的关系。

  3. Kenneth G. Wilson and Michael E. Fisher, Critical Exponents in 3.99 Dimensions (1972)

    把维数展开读作计算临界幂次的方法,分清数学工具与实际实验维数。

  4. The Nobel Prize in Physics 1982

    确认授奖范围:与相变有关的临界现象理论。

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