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。