软物质与复杂体系
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• S. Holzner (2006). Physics for Dummies
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
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 。。。
从 简 单 到 复 杂
生理学 心理学
心理学 社会学
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（Disorganized complexity）：相 互作用弱，可用概率统计方法处理
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
Physical science is that department of knowledge which relates to the order of nature, or, in other words, to the regular succession of events.
A. D. Dinsmore et al, 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
Neurons
Is there a way to tap into the electrical signal of a single neuron to figure out how the brain works ?
• J.C. Maxwell Matter and Motion.
Physics is an experimental science. Physicists observe the phenomena of nature and try to find patterns and principles that relate these phenomena. These patterns are called physical theories or, when they are very well established and of broad use, physical laws or principles.
• 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
Some technical ‘problems’
About a mile from the Duke University Campus
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
• 平衡态统计
有组织复杂性（Organized complexity）：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. De Gennes, 1991年诺贝尔物理奖颁奖演讲.
P. G. De Gennes, Soft Matter, Rev. Mod. Phys. 64,645 (1992)
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
• 物理学 • 数学 • 化学 • 生物学 • 经济学 • 金融学 • 社会学 • 。。。
对于复杂体系的理解还很初步
什么是物理学
物理学就是物理学家做的事情
• • • • Physics Today, Dec., 1995 在一系列核心课程上做过高等训练：力学，电磁学。。 理解物理现象所需的量化和还原化方式 透过现象看本质的倾向
细胞
双层脂膜（细胞膜）
DNA 折叠
蛋白质折叠
疯牛病
群体行为
一个群体运动模型
Intuitive flocking algorithm (Craig Reynolds – Sony)
– – Flocks, Herds, and Schools: A Distributed Behavioral Model Computer Graphics, 21(4), pp. 25-34, 1987 Defined Boids and simple interaction rules:
• • • • 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
向列相液晶
各向同性液体
= 密度增加的方向
棒状胶体的 熵致液晶和晶体
晶体
近晶相液晶
Ising 模型
相变
硬球与熵
一个熵力的实验
• “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
j i j i
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
n 'i An i i w ji An i i wij Aj n j
j i j i
合作的产生机制
多了就不一样了 Philip W. Anderson: More is different (1972) …at each new level of complexity, entirely new properties appear, and the understanding of this behavior requires research as fundamental in its nature as any other. 物理规律是有层次的 这些层次对应于复杂性的不同
• H.D. Young, R.A. Freedman University Physics with Modern Physics (11th ed.).
Physics is the study of your world and the world and universe around you.
化学物理 生物物理 金融物理 经济物理 。。。
谢谢！
▪ 分离
▪ 排队
▪ 聚合
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
(12 February 1809 – 19 April 1882)
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
n 'i An i i w ji An i i wij Aj n j
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”
四来自百度文库基本相互作用
万有引力 强相互作用
电磁相互作用
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
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
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 。。。
从 简 单 到 复 杂
生理学 心理学
心理学 社会学
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（Disorganized complexity）：相 互作用弱，可用概率统计方法处理
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
Physical science is that department of knowledge which relates to the order of nature, or, in other words, to the regular succession of events.
A. D. Dinsmore et al, 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
Neurons
Is there a way to tap into the electrical signal of a single neuron to figure out how the brain works ?
• J.C. Maxwell Matter and Motion.
Physics is an experimental science. Physicists observe the phenomena of nature and try to find patterns and principles that relate these phenomena. These patterns are called physical theories or, when they are very well established and of broad use, physical laws or principles.
• 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
Some technical ‘problems’
About a mile from the Duke University Campus
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
• 平衡态统计
有组织复杂性（Organized complexity）：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. De Gennes, 1991年诺贝尔物理奖颁奖演讲.
P. G. De Gennes, Soft Matter, Rev. Mod. Phys. 64,645 (1992)
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
• 物理学 • 数学 • 化学 • 生物学 • 经济学 • 金融学 • 社会学 • 。。。
对于复杂体系的理解还很初步
什么是物理学
物理学就是物理学家做的事情
• • • • Physics Today, Dec., 1995 在一系列核心课程上做过高等训练：力学，电磁学。。 理解物理现象所需的量化和还原化方式 透过现象看本质的倾向
细胞
双层脂膜（细胞膜）
DNA 折叠
蛋白质折叠
疯牛病
群体行为
一个群体运动模型
Intuitive flocking algorithm (Craig Reynolds – Sony)
– – Flocks, Herds, and Schools: A Distributed Behavioral Model Computer Graphics, 21(4), pp. 25-34, 1987 Defined Boids and simple interaction rules:
• • • • 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
向列相液晶
各向同性液体
= 密度增加的方向
棒状胶体的 熵致液晶和晶体
晶体
近晶相液晶
Ising 模型
相变
硬球与熵
一个熵力的实验
• “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
j i j i
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
n 'i An i i w ji An i i wij Aj n j
j i j i
合作的产生机制
多了就不一样了 Philip W. Anderson: More is different (1972) …at each new level of complexity, entirely new properties appear, and the understanding of this behavior requires research as fundamental in its nature as any other. 物理规律是有层次的 这些层次对应于复杂性的不同
• H.D. Young, R.A. Freedman University Physics with Modern Physics (11th ed.).
Physics is the study of your world and the world and universe around you.
化学物理 生物物理 金融物理 经济物理 。。。
谢谢！
▪ 分离
▪ 排队
▪ 聚合
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
(12 February 1809 – 19 April 1882)
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
n 'i An i i w ji An i i wij Aj n j
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”
四来自百度文库基本相互作用
万有引力 强相互作用
电磁相互作用
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