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。
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。
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。