阻塞相变:无序体系的一阶相变

1阻塞相变背景介绍在颗粒物质、胶体、泡沫、细胞等无序非平衡体系中,从流体态到非晶固态的转变过程被称为“阻塞相变”[1—8]。这类体系粒子之间的相互作用能量比热运动能量高很多个数量级,因此可以等效地认为处于零温状态。不同于常见的液固相变,阻塞相变是由于体积分数(而非温度)变化导致的,是一种非平衡相变。当体积分数超过阻塞相变体积分数φ_(J)时,粒子间由于相互接触形成稳定的力学网络,从而成为固态(图1)。在快速压缩的过程中,三维(单分散)体系的φ_(J)≈0.64[9],而二维(双分散)体系的φ_(J)≈0.84[10]。近年来的研究发现,φ_(J)还会和压缩速率等制备过程相关[11]。阻塞相变前后体系的结构都是无序的,明显不同于液体的结晶过程。

2021年诺贝尔物理学奖:复杂系统科学的新纪元

2021年度诺贝尔物理学奖授予3位科学家,以表彰他们“对理解复杂物理系统的开创性贡献”。真锅淑郎(Syukuro Manabe)和克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)共同分享了1/2的奖金,获奖理由是“对地球气候建立物理模型、量化可变性并可靠地预测全球变暖”。乔治·帕里西(Giorgio Parisi)获得另外1/2的奖金,获奖理由是“发现从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落之间的相互影响”。文章介绍了这几位科学家的工作以及他们的贡献。

复杂系统与计算统计物理

用统计物理和计算物理方法研究复杂系统是当前物理科学的重要前沿之一.本文主要针对国家自然科学基金“计算物理”申请代码所覆盖的“复杂系统与计算统计物理”方向的现状和前沿挑战进行简单介绍,探讨新兴领域,并对其未来发展进行展望.

物理学奖:复杂物理系统

2021年度诺贝尔物理学奖授予了3位科学家,以表彰他们“对我们理解复杂物理系统的开创性贡献”。美籍日裔大气物理学家真锅淑郎(Syukuro Manabe)、德国物理学家克劳斯·哈赛尔曼(Klaus Hasselmann),每人分享1/4的奖金,以表彰他们“对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”的贡献;另外1/2的奖金授予意大利物理学家乔治·帕里西(Giorgio Parisi),以表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落之间的相互影响”。

机器学习方法研究玻璃体系中的Gardner相变

1985年,英国物理学家Elizabeth Gardner从理论上预测了在自旋玻璃模型中存在一种由全副本对称性破缺导致的复杂相变——Gardner相变。近年来的平均场理论计算表明,Gardner相变不仅存在于自旋玻璃,也应该存在于结构玻璃中。然而,如何在实验或计算机模拟中测量Gardner相变对应的临界指标,一直是一个难题,其主要原因是难以精确地测量该相变对应的关联长度。

无序中的对称性——诺奖得主帕里西工作解读

2021年度诺贝尔物理学奖授予三位科学家,真锅淑郎(Syukuro Manabe)、克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)和乔治·帕里西(Giorgio Parisi),以表彰他们"发现了气候和其他复杂现象中的隐藏模式"。其中帕里西获得二分之一的奖金,获奖理由是"发现从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落之间的相互影响"。帕里西的自旋玻璃理论深刻地揭示了无序体系中的隐藏对称性,为文章介绍的重点。

“神秘”的玻璃

在伦敦的大英博物馆,有一个蓝绿色的小瓶子,原产于法老图特摩斯三世(Thutmose III)统治时期的埃及。这个并不透明的小瓶子几乎完全是由玻璃制成的。然而,尽管它已有3400多年的历史,却不是人类最早制造的玻璃。历史学家认为,早在4500年前,米索布达米亚文明就已经掌握了制造玻璃的技术。初看起来,玻璃似乎并不复杂。玻璃材料具有非晶态(无序)结构,即原子或分子间没有长程序。普通玻璃一般包含三种成分:构成基本结构的二氧化硅(沙子),用来降低熔化温度的碱金属氧化物(一般为苏打),以及用来降低水溶性的氧化钙(石灰)。事实上,配方可以更简单,我们现在知道,几乎任何材料都可以变成玻璃态。只要冷却得足够快,液体中的原子或分子就会在形成有序的固态结构之前被“冻结”,从而形成玻璃态。

复杂系统科学的新纪元

1991年,诺贝尔奖委员会给物理学家de Gennes的颁奖词里提到“复杂性”(complexity)一词。复杂系统科学经过30年迅速发展,研究对象已经超过单纯的物理体系,涵盖了从玻璃到气候、地球等广泛复杂系统。2021年的诺贝尔物理学奖颁发给3位在复杂系统科学方面获得杰出成就的科学家,说明该领域的研究已经获得学术界的重视,甚至有可能引发自然科学的变革,标志着一个新纪元的开端。