物质的态与相

作者: 叶麒俊, 欧阳霄宇, 李新征

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2024-01-12 12:40:56

本文回顾了物质的态与相在现代物理学研究中的重要性及其概念的形成与演化过程,分为三个阶段:19世纪的态与相概念提出,19世纪末至20世纪中期的相理解深入,以及20世纪中期开始的相变理论发展。重点介绍了杨—李理论在相变研究中的贡献。

在现代物理学研究中,物质的态与相扮演着重要的角色。它们之间既有联系,又有形成时间的不同以及具体涵义的差异。文章把两个概念的认识过程分为三个阶段:

(1) 贯穿整个19世纪的第一阶段,主题大致可归结为“态与相概念的先后提出”,将围绕当时人们在描述物质存在形式时“从理想气体的克拉珀龙方程到真实体系的范德瓦耳斯模型”展开;

(2) 19世纪末至20世纪中期的第二阶段,主题是“对相理解的深入”,将从居里—外斯定律的发现出发,重点介绍楞次—伊辛模型的提出及其解;

(3) 第三阶段为20世纪中期开始的更为系统的相变理论的发展,落脚点是“物性的解析表述”。希望通过这个回顾,能够让人们更加关注杨—李理论这一瑰宝,进而加深对物质的态与相这两个概念以及对相变概念的理解。

物质的态与相(state of matter 与 phase of matter)往往是物理学初研者最早接触的概念[1,2],但对它们的理解,却通常不够深入。我们经常使用分子动力学模拟物性,利用结构与动力学的信息描述物质的存在形式。在此过程中,“相”被广泛使用,但很多情况下这一概念的严格定义却未被深究。直到三年前,面对一个关于高压冰动力学状态的问题,同事全海涛教授提醒我注意这两个概念的差别。

这促使我们深入学习相变理论,尤其是杨—李理论1),并据此完成了两项理论工作[3,4]。

本文将以“历史的发展”作为主线,按黑格尔所提倡的“历史与逻辑相统一”的方式,回顾“物质的态与相”这两个概念的形成与演化。总的来说,这两个概念的形成与演化可分为三个阶段。

(1) 19世纪,“态”的描述与“相”的提出。时人多以“态”(state)和“状态方程”(equation of state)来描述物质的存在形式,代表成果为理想气体的克拉珀龙状态方程,以及进一步修正的范德瓦耳斯真实气体状态方程[5—8]。但“混合液体”的存在挑战了这一范式,吉布斯为此引入了“相”(phase)的概念[9,10]。

(2) 19世纪末到20世纪初,“相”替代“态”被广泛应用,人们提出并求解了微观视角下的相变模型。相较于气、固、液等传统的“态”,在铁磁材料的研究中,人们认识到同一种“(固)态”可以存在不同的“相”。这也使得“相”的概念极大延伸。从此,人们更多使用“相”进行物性描述[11—18]。

楞次—伊辛模型2)的提出,则首次从微观相互作用层面出发,以最简单的数学模型,提供了研究相变现象的载体,其求解过程促进了对“相”的深入理解[19—30]。

(3) 20世纪中期到70年代,相变理论的发展及其对“相”数学本质的揭示。杨—李相变理论创造性地将配分函数解析延拓到复空间,以“解析性”为核心,通过配分函数零点的行为,为相变提供了严谨的数学描述[30—32]。此后,重正化群理论和标度理论深化了对相变中临界行为的理解,可计算临界指数,并指出相变存在的普适类。实际上,笔者正是被杨—李相变理论深深吸引,进而关注统计力学方面的问题。

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