软物质与复杂体系

软物质与复杂体系李晟上海交通大学物理系2013.11物理Physics:来源于古希腊语φύσις

（自然）格物致知物之至理宇宙的运行存在规律这个世界最不可理解的就是它竟然是可以理解的---阿尔伯特·爱因斯坦物理学的目标/期望：找到宇宙运行的最基本规律将尽量多的现象用尽量少的理论来解释统一成一个理论甚至一组方程？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物理的分类周围的物体相互作用和运动-----经典力学电磁现象-----电动力学很小的物体（原子，分子）-----量子力学运动的很快的物体------狭义相对论引力，时空------广义相对论比原子还小的物体------规范场论固体和液体-----凝聚态物理天体-----天体物理与宇宙学原子角度看物质之间以及物质与光之间的相互作用-----原子、分子和光物理海量个体组成的体系（如气体）-----统计物理其他：地球物理、生物物理、物理化学、经济物理。。。“统一”“统一”四种基本相互作用万有引力电磁相互作用强相互作用弱相互作用有了最底层的物理规律是否就理解了一切？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):

客观世界是分层次的，每个层次都有自己的基本规律整体大于部分之和当个体多了起来之后—变得复杂空气如何运动？力学和电磁学？1023数量级的个体与方程组统计力学和热力学宏观物理量：压强、温度、功、热、自由能、熵。。。抛弃个体运动的细节扔骰子的学问—统计另一层次的基本规律平衡统计基本假设：对于一个具有给定能量的给定物理系统，各种可能的状态出现的几率是等同的PhilipW.Anderson:

Moreisdifferent

(1972)…ateachnewlevelofcomplexity,entirelynewpropertiesappear,andtheunderstandingofthisbehaviorrequiresresearchasfundamentalinitsnatureasanyother.多了就不一样了物理规律是有层次的这些层次对应于复杂性的不同每一新的层次有全新的特性理解这些新的特性与理解底层物理规律一样重要安德森举的例子基本粒子物理固体和多体物理固体和多体物理化学化学分子生物学分子生物学细胞生物学。。。生理学心理学心理学社会学从简单到复杂什么是复杂体系目前没有很确切的定义大量的个体与大量的相互作用无组织复杂性（Disorganizedcomplexity）：相互作用弱，可用概率统计方法处理平衡态统计有组织复杂性（Organizedcomplexity）：强相互作用、强相关性什么是软物质软物质一词正式登场P.G.DeGennes,1991年诺贝尔物理奖颁奖演讲.P.G.DeGennes,SoftMatter,Rev.Mod.Phys.64,645(1992)复杂流体、胶体、高分子、泡泡、颗粒物质、某些生物物质

软小影响=>大效应

多数情况下熵起了重要作用Sometechnical‘problems’AboutamilefromtheDukeUniversityCampus复杂体系的常见现象—自组织自组织指具有大量相互作用的多体体系中自发涌现某种模式的过程。自组织产生的模式是自发的，而不是受外界的影响产生的基本条件很多的个体简单的规则大量的相互作用相对独立的个体相变物质从一个态/相转变为另一个态/相相变通常是不连续的相变伴随着自组织现象浓度导致的相变棒状胶体的

熵致液晶和晶体各向同性液体晶体近晶相液晶向列相液晶=密度增加的方向Ising模型相变硬球与熵一个熵力的实验A.D.Dinsmoreetal,Phys.Rev.Lett.80,409(1998)熵增也可能导致有序颗粒物质间相互作用的研究NeuronsIsthereawaytotapintotheelectricalsignalofasingleneurontofigureouthowthebrainworks?细胞双层脂膜（细胞膜）DNA折叠蛋白质折叠疯牛病群体行为Intuitiveflockingalgorithm(CraigReynolds–Sony)Flocks,Herds,andSchools:ADistributedBehavioralModelComputerGraphics,21(4),pp.25-34,1987DefinedBoidsandsimpleinteractionrules:▪分离▪排队▪聚合一个群体运动模型形态模式形态模式社会行为达尔文演化论复制遗传变异选择(12February1809–19April1882)Eigen模型ni

第i种准种个数Ai

（适应度）第i种准种存活后代比率wij

第j种准种随机变异成第i种准种概率可以证明：二元Eigen模型与二维Ising模型等价演化博弈论ni

第i种博弈策略的使用量Ai

（适应度）对第i种测量的评价wij

第j种策略随机变异成第i种策略的概率合作的产生机制经济学社会学博弈论复杂体系及其特征是新的前沿方向复杂体系是交叉科学物