交叉学科理论研究中心

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1、呈展现象(EmergentPhenomena)－从千奇百怪的相变说起于渌中国科学院物理研究所什么是“呈现”、“呈展”(emergence)?通常含义：人影从暗处闪出，潜艇从水中涌出,(影片、小说)故事情节显露…这里的含义：大量基元(agent)构成的体系呈现预想不到的复杂现象－自组织、自组装最简单的例子：肥皂(洗衣粉)溶于水－全透明－小泡－薄膜－能反光的肥皂泡万有引力和风（海浪）共同作用下形成沙堆图案大量的简单基元构成的复杂体系会“呈展”全新的特性－普遍现象引力和转动的共同影响下形成星系的螺旋结构对

2、宇宙的两种不同看法/研究方法：还原论(Reductionism)：一切归结为最基本的组成部分和决定它们行为的最基本规律。“最终目的”－－建立包罗万象的“大统一理论”呈展论(Emergence)或整体论(Whoism)：客观世界是分层次的，每个层次都有自己的基本规律，重要的是承认客观现实，以它为依据，找出它的基本规律，理解这些现象是如何“呈展”的。这两者是对立的，但又是互补的！PhilipW.Anderson:Moreisdifferent(1972)······将万事万物还原成简单的基本规律，并不蕴

3、含着从这些规律出发重建宇宙的能力······面对尺度与复杂性的双重困难，重建论的假定就崩溃了。不能依据少数粒子的性质作简单外推来解释由大量粒子构成的复杂集聚体的行为。正好相反，在复杂性的每一个层次会呈现全新的性质，为理解这些新行为所需要作的研究，就其基础性而言，与其他研究相比毫不逊色。更多是不同的“X”凝聚态/多体物理化学分子生物学细胞生物学心理学社会科学“X”科学研究的“元件”由“Y”科学描述，但不能说：“X”是“Y”的应用“Y”微观粒子物理凝聚态/多体物理化学分子生物学生理学心理学…………0°C

4、水冻结成冰仔细想想，为什么1020个水分子，单个水分子结构不变、相互作用不变，会“集体地”、“不约而同地”从一个相“变”到另一个相呢？“新相”在“老相”中又如何“孕育”、“形成”，如何“呈展”？100°C水沸腾成蒸汽从水的三态变化说起变化多端的液晶相变铁磁和反铁磁相变量子统计－粒子不可区分SatyanN.BoseAlbertEinsteinEnricoFermiPaulA.M.Dirac玻色统计：每个状态可容纳任意多个粒子费米统计：每个状态最多可容纳一个粒子量子涨落-波粒二重性德布罗意波长平均距离

5、用激光冷却和俘获原子的方法1997诺贝尔物理奖StevenChuClaudeCohen-TannoudjiWilliamD.Phillips朱棣文原子气体的玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）－2001诺贝尔物理奖玻色－爱因斯坦凝聚(BEC)为什麽没早实现?（70年）“非常”低的温度:亿分之几K4He超流的发现和它的理论解释－某种玻色－爱因斯坦凝聚PyotrL.KapitsaLevLandau1938(1978)1941(1962)喷泉效应超导的发现和微观理论的建立H.KamerlinghOnnesJohn

6、BardeenLeonN.CooperJ.RobertSchrieffer(1913)(1972)序参量第一类相变连续相变（临界现象）液－气密度差，自发磁化强度，超导序参量······TMTM对称破缺离散对称－从自旋可以向上或向下变成确定向上（向下）对称“破缺”－对称元素的减少“通常”情形下“高温高对称”、“低温低对称”铁磁体－旋转对称破缺连续对称的破缺超导体的宏观波函数－序参量(Landau)被多次“发明”的平均场理论1873范德瓦耳斯状态方程；1907外斯分子场理论；1934布喇格－威廉姆斯合金

7、有序化理论；1937朗道二类相变“普遍”理论·······朗道平均场理论涨落与关联，临界乳光关联长度发散磁化率发散和涨落反常增大是由关联长度发散引起g14/3!平均场理论的失败！！平均场实验值a0(跃变）0b1/21/3!d35!n1/22/3!004维以上空间才正确的理论！！标度律和普适性标度假定标度变换标度律：6个“临界指数”中只有2个是独立的KennethK.Wilson临界现象的重正化群理论—1982诺贝尔物理奖基本想法:先把高能（短波）涨落积掉，求出耦合常数如何随标度变化。用

8、“不动”点附近的展开算出临界指数，与实验完全符合，没有任何可调参数！从理论上论证了标度律和普适性。重正化群理论的实验验证用重正化群计算最新结果a=-0.0110.004太空实验结果（七个量级）a=-0.01270.0003误差范围内完全符合！理论物理的威力!!相变和临界现象是呈展论的最好例证对称破缺－全新状态的“呈展”平均场理论的失败－不能用“平均”代替关联长度的发散－无穷多粒子的关联标度律－粒子关联的定量表述普适性－抹去细节，突出共性重正化群的应用－“呈展论”的