軟物質(zhì)與復(fù)雜體系

軟物質(zhì)與復(fù)雜體系李晟上海交通大學(xué)物理系2013.11物理Physics:來(lái)源于古希臘語(yǔ)φ?σι?

（自然）格物致知物之至理宇宙的運(yùn)行存在規(guī)律這個(gè)世界最不可理解的就是它竟然是可以理解的---阿爾伯特·愛(ài)因斯坦物理學(xué)的目標(biāo)/期望：找到宇宙運(yùn)行的最基本規(guī)律將盡量多的現(xiàn)象用盡量少的理論來(lái)解釋統(tǒng)一成一個(gè)理論甚至一組方程？什么是物理Physicalscienceisthatdepartmentofknowledgewhichrelatestotheorderofnature,or,inotherwords,totheregularsuccessionofevents.J.C.MaxwellMatterandMotion.Physicsisanexperimentalscience.Physicistsobservethephenomenaofnatureandtrytofindpatternsandprinciplesthatrelatethesephenomena.Thesepatternsarecalledphysicaltheoriesor,whentheyareverywellestablishedandofbroaduse,physicallawsorprinciples.H.D.Young,R.A.FreedmanUniversityPhysicswithModernPhysics(11thed.).Physicsisthestudyofyourworldandtheworldanduniversearoundyou.S.Holzner(2006).PhysicsforDummies物理的分類周圍的物體相互作用和運(yùn)動(dòng)-----經(jīng)典力學(xué)電磁現(xiàn)象-----電動(dòng)力學(xué)很小的物體（原子，分子）-----量子力學(xué)運(yùn)動(dòng)的很快的物體------狹義相對(duì)論引力，時(shí)空------廣義相對(duì)論比原子還小的物體------規(guī)范場(chǎng)論固體和液體-----凝聚態(tài)物理天體-----天體物理與宇宙學(xué)原子角度看物質(zhì)之間以及物質(zhì)與光之間的相互作用-----原子、分子和光物理海量個(gè)體組成的體系（如氣體）-----統(tǒng)計(jì)物理其他：地球物理、生物物理、物理化學(xué)、經(jīng)濟(jì)物理。。?！敖y(tǒng)一”“統(tǒng)一”四種基本相互作用萬(wàn)有引力電磁相互作用強(qiáng)相互作用弱相互作用有了最底層的物理規(guī)律是否就理解了一切？還原論(Reductionism)：一切歸結(jié)為最基本的組成部分和決定它們行為的最基本規(guī)律“最終目的”－－建立包羅萬(wàn)象的“大統(tǒng)一理論”？呈展論（Emergence):

客觀世界是分層次的，每個(gè)層次都有自己的基本規(guī)律整體大于部分之和當(dāng)個(gè)體多了起來(lái)之后—變得復(fù)雜空氣如何運(yùn)動(dòng)？力學(xué)和電磁學(xué)？1023數(shù)量級(jí)的個(gè)體與方程組統(tǒng)計(jì)力學(xué)和熱力學(xué)宏觀物理量：壓強(qiáng)、溫度、功、熱、自由能、熵。。。拋棄個(gè)體運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)扔骰子的學(xué)問(wèn)—統(tǒng)計(jì)另一層次的基本規(guī)律平衡統(tǒng)計(jì)基本假設(shè)：對(duì)于一個(gè)具有給定能量的給定物理系統(tǒng)，各種可能的狀態(tài)出現(xiàn)的幾率是等同的PhilipW.Anderson:

Moreisdifferent

(1972)…ateachnewlevelofcomplexity,entirelynewpropertiesappear,andtheunderstandingofthisbehaviorrequiresresearchasfundamentalinitsnatureasanyother.多了就不一樣了物理規(guī)律是有層次的這些層次對(duì)應(yīng)于復(fù)雜性的不同每一新的層次有全新的特性理解這些新的特性與理解底層物理規(guī)律一樣重要安德森舉的例子基本粒子物理固體和多體物理固體和多體物理化學(xué)化學(xué)分子生物學(xué)分子生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)。。。生理學(xué)心理學(xué)心理學(xué)社會(huì)學(xué)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜什么是復(fù)雜體系目前沒(méi)有很確切的定義大量的個(gè)體與大量的相互作用無(wú)組織復(fù)雜性（Disorganizedcomplexity）：相互作用弱，可用概率統(tǒng)計(jì)方法處理平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)有組織復(fù)雜性（Organizedcomplexity）：強(qiáng)相互作用、強(qiáng)相關(guān)性什么是軟物質(zhì)軟物質(zhì)一詞正式登場(chǎng)P.G.DeGennes,1991年諾貝爾物理獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)演講.P.G.DeGennes,SoftMatter,Rev.Mod.Phys.64,645(1992)復(fù)雜流體、膠體、高分子、泡泡、顆粒物質(zhì)、某些生物物質(zhì)

軟小影響=>大效應(yīng)

多數(shù)情況下熵起了重要作用Sometechnical‘problems’AboutamilefromtheDukeUniversityCampus復(fù)雜體系的常見(jiàn)現(xiàn)象—自組織自組織指具有大量相互作用的多體體系中自發(fā)涌現(xiàn)某種模式的過(guò)程。自組織產(chǎn)生的模式是自發(fā)的，而不是受外界的影響產(chǎn)生的基本條件很多的個(gè)體簡(jiǎn)單的規(guī)則大量的相互作用相對(duì)獨(dú)立的個(gè)體相變物質(zhì)從一個(gè)態(tài)/相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)態(tài)/相相變通常是不連續(xù)的相變伴隨著自組織現(xiàn)象濃度導(dǎo)致的相變棒狀膠體的

熵致液晶和晶體各向同性液體晶體近晶相液晶向列相液晶=密度增加的方向Ising模型相變硬球與熵一個(gè)熵力的實(shí)驗(yàn)A.D.Dinsmoreetal,Phys.Rev.Lett.80,409(1998)熵增也可能導(dǎo)致有序顆粒物質(zhì)間相互作用的研究NeuronsIsthereawaytotapintotheelectricalsignalofasingleneurontofigureouthowthebrainworks?細(xì)胞雙層脂膜（細(xì)胞膜）DNA折疊蛋白質(zhì)折疊瘋牛病群體行為Intuitiveflockingalgorithm(CraigReynolds–Sony)Flocks,Herds,andSchools:ADistributedBehavioralModelComputerGraphics,21(4),pp.25-34,1987DefinedBoidsandsimpleinteractionrules:?分離?排隊(duì)?聚合一個(gè)群體運(yùn)動(dòng)模型形態(tài)模式形態(tài)模式社會(huì)行為達(dá)爾文演化論復(fù)制遺傳變異選擇(12February1809–19April1882)Eigen模型ni

第i種準(zhǔn)種個(gè)數(shù)Ai

（適應(yīng)度）第i種準(zhǔn)種存活后代比率wij

第j種準(zhǔn)種隨機(jī)變異成第i種準(zhǔn)種概率可以證明：二元Eigen模型與二維Ising模型等價(jià)演化博弈論ni

第i種博弈策略的使用量Ai

（適應(yīng)度）對(duì)第i種測(cè)量的評(píng)價(jià)wij

第j種策略隨機(jī)變異成第i種策略的概率合作的產(chǎn)生機(jī)制經(jīng)濟(jì)學(xué)社會(huì)學(xué)博弈論復(fù)雜體系及其特征是新的前沿方向復(fù)雜體系是交叉科學(xué)物