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2015年 27卷 3期 刊出日期 2015-06-18 统计物理与复杂系统研究前沿进展专题 物理知识 物理前沿 科学源流 科学随笔 统计物理与复杂系统研究前沿进展专题 3 前言 汪秉宏 与人类活动息息相关的生态环境、社会组织、经济体系、信息传播、工程技术等, 甚至作为生命体的人类本身, 都属于复杂系统范畴。在人类文明史上, 诸类现象的研究形成了多种知识体系和方法论, 而近年基于互联网发展所产生的大数据积累正孕育着对经典理论的全面挑战。当知识从直觉转换为数据时, 人类对环境的认知是否会产生质的飞跃?观念的飞跃和数学化是否带来深层次普遍性规律的发现?类似物理理论的建立又能否从根本上提升人类掌控自然的能力? 2015 Vol. 27 (3): 3-3 [摘要] ( 1727 ) [HTML 1KB] [PDF 287KB] ( 176 ) 4 重构家族血缘树 Hot! 史定华 这篇短文从人类寻根谈起, 介绍线粒体与Y染色体知识, 分子人类学的重要成果, 历史人类学的研究进展, 我们基于血缘距离网络的研究尝试, 直到采用大数据确定曹操遗传标记的社会物理学探索。因为是科普文章, 引用材料不另外注明。 2015 Vol. 27 (3): 4-10 [摘要] ( 2885 ) [HTML 1KB] [PDF 12130KB] ( 1878 ) 11 物理学这棵老树绽放的一朵新花:实验室真人统计物理学 黄吉平 简单言之, “物理”二字的意思就是“物质之理”。不言自明, 这里的“物质”是指自然界中无智能的“物”, 例如原子、电子等。这里所说的“无智能”主要指, 这些物质没有学习能力、对外界环境没有适应性, 举个例子:若有两个原子, 沿着同一轨道相向而行, 它们必然相撞;今天撞了, 如果明天再遇到同样的情况, 这两个原子仍旧会相撞。为什么?因为这些原子没有学习能力, 它们“不长记性”、“记不住”已经发生的事情, 所以, 下次再相遇时, 该发生什么还发生什么, 换言之, 因为它们没有学习能力, 所以, 它们对外界环境也就没有适应性。事实上, 也正因为“物理”关心的是无智能的物质系统, 所以, 它们可以用简单的物理原理来描述、理解、预测, 例如牛顿第二定律、万有引力定律等。在这些原理中, 人们不必额外引入描述学习能力和适应性的物理量, 可能也正因此, 物质世界在物理学家的眼中是简单的, 物理学家总喜欢用一些简单的物理原理来解释和预言我们所在的这个物质世界。例如, 理论物理学家们正在刻苦攻关的大统一理论正是这样的一个理想的、“简单”的理论, 期望它能解释宇宙中各种自然力之间的关系。 2015 Vol. 27 (3): 11-14 [摘要] ( 2128 ) [HTML 1KB] [PDF 475KB] ( 185 ) 15 复杂网络视角研究反应系统 Hot! 韩定定, 朱亮 网络科学作为统计物理与复杂性科学的一个重要分支, 在近十几年中取得了长足的发展。巴拉巴希(A-L. Barabási)等人提出的“无标度”模型和瓦茨(D. Watts)等人提出的“小世界”模型用简洁优雅的规则开创性地描述了现实世界的复杂系统。网络的思想源于图论这一研究顶点和边所组成图形的数学分支, 它将系统中的个体看作节点, 个体间的关系看作边, 将节点连边的数量称为度值。“无标度”模型认为, 新加入的节点在连边时服从“偏好依附”规律, 即更加倾向于连接度值大的节点, 最终形成的网络所有节点的度值呈P(k)=k-a形式的幂律分布(k为度值, a为幂律分布指数, 常见网络的a值在2到3之间), 这种分布下k的取值可以相差悬殊, 无法用一个值标度k的范围, 故模型被称为“无标度”。“小世界”模型解释了著名的“六度分离”现象(图1), 发现现实世界中许多系统介于规则网络与随机网络之间, 具有较短的平均最短路径(两个节点之间的边数)和较高的聚类系数(节点的两个邻居相互也是邻居的概率)。一个远方的朋友, 或是一个出国的亲戚就能大大扩展社交范围;人与人之间往往只需要通过几个人就能联系上, 相对于几十亿的人口, 我们所处的世界真不大。这些研究工作将图论与统计物理、计算机、生物乃至社会学等诸多学科进行了交叉, 将科学的疆域拓展到了新的广度与深度。 2015 Vol. 27 (3): 15-18 [摘要] ( 2236 ) [HTML 1KB] [PDF 631KB] ( 130 ) 19 复杂网络上的演化博弈研究 王旭文, 汪秉宏 合作行为常见于生物系统和社会系统中, 而博弈论为研究自私个体间的合作行为提供了一个有力的工具。博弈论又称对策论, 指的是研究多个个体之间在特定条件制约下的对局里利用相关方的策略, 而实施对应策略的学科。如美苏核武竞争博弈, 如果双方都选择加入核武裁撤, 那么双方的总收益是最高的, 然而诱惑却是等待对方摧毁核武设施而自己保留一些。由此看出, 合作能够获得较高的集体收益, 然而个体由于自私通常会选择背叛以获得较高的自身收益。因此维持和促进合作行为的涌现一直是博弈论的一个挑战。其中一些典型的模型, 如囚徒困境博弈(prisoner's dilemma game), 雪堆博弈(snow-drift game)和公共物品博弈(public goods game)等被广泛研究。 2015 Vol. 27 (3): 19-22 [摘要] ( 2503 ) [HTML 1KB] [PDF 541KB] ( 157 ) 23 复杂系统的一大类典型的自组织形式——网络金字塔研究进展 方锦清 人类社会是复杂性现象的最大王国和百花园。古代世界八大奇观之首的埃及金字塔结构精巧、外形宏伟, 其最高大最著名的胡夫金字塔的神奇远远超过了人类的想象。它在近5000 年以前就巍然耸立于开罗以西荒砂遍地的吉萨高原, 显示出无比坚固和稳定!至今金字塔神秘的面纱还远未揭开! 2015 Vol. 27 (3): 23-31 [摘要] ( 2002 ) [HTML 1KB] [PDF 906KB] ( 171 ) 32 逾渗模型与复杂网络 李明, 汪秉宏 将一个疏松多孔的材料放入水中, 水能否渗入材料中呢? 1957年, 布鲁德本特(Broadbent)和哈默斯利(Hammersley)给出了一个简单的模型用以讨论这个问题, 即所谓的逾渗模型(percolation model)。如图1所示, 他们的模型建立在一个二维的方格子上。模型中的节点表示材料中的空隙。为了模拟材料中空隙的连通, 假设方格子中相邻节点(每个节点有四个邻居)以概率p(0<p<1)相连。模型中, 一对相邻节点相连称为占据相应的边。如图1所示, 如果只标出占据边, 原系统就被分为若干个由占据边连接的节点集团, 一般称为连通集团。一个连通集团中的节点数称为该集团的大小。如果水能渗入材料中, 模型中必然会有一个与原系统大小相当的连通集团贯穿整个二维格子, 这样的集团一般称为巨分量(giant component)。这样, 水能否渗入材料的问题就简化为占据概率p与巨分量存在性的关系问题。 2015 Vol. 27 (3): 32-37 [摘要] ( 2286 ) [HTML 1KB] [PDF 729KB] ( 176 ) 38 经济金融中的自组织临界性 曹雪薇, 熊婉婷, 王有贵 复杂性科学在最近二三十年取得了突破性进展, 目前从这个学科中发展起来的许多范式和方法都已经渗透到多门传统学科并与其不断融合促成了各种门类的交叉学科和方向。其中自组织临界性就是复杂性科学领域发展出来的一种独特方法, 也是理论物理学家对理解复杂系统的一般规律的一个最重要的贡献。在理解和解释由大量个体通过相互作用所导致的复杂系统时空长程相关特性问题上, 自组织临界性理论提供了一种非常新颖和通用的机制方法, 其应用领域涵盖了物理学、地学、生物学、经济学等多门学科以及它们的交叉方向。本文重点介绍自组织临界模型在经济金融系统中的可能应用及其发展前景。 2015 Vol. 27 (3): 38-42 [摘要] ( 2243 ) [HTML 1KB] [PDF 542KB] ( 158 ) 物理知识 43 粒子物理——物质微观结构研究的最前沿 Hot! 杜东生 人类最早发现的“基本粒子”是电子, 1897年汤姆森(J. J. Thomson)在阴极射线中首次测得了带负电的粒子(电子)的荷质比e/m, 1899年他又测量了电子的电荷e。光子γ 作为粒子是爱因斯坦(A. Einstein)首次在1905年为解释光电效应提出的。但是这一观念20多年后才被物理界所公认。1919年卢瑟福(E. Rutherford)用α粒子轰击氮靶而发现了质子。1932年查德威克(J. Chadwick)证实了中子的存在。同年, 安德森(C. D. Anderson)发现了正电子。 2015 Vol. 27 (3): 43-49 [摘要] ( 2501 ) [HTML 1KB] [PDF 3840KB] ( 2176 ) 物理前沿 50 彗星研究和彗星空间探测进展 Hot! 史建春, 马月华 彗星是一种冰冻的小天体, 是由冰(主要是水冰)和尘埃组成的“脏雪球”, 俗称扫帚星。彗星是太阳系早期形成时期遗留下的残骸, 被认为是太阳系中最原始的天体, 研究彗星的起源、演化和成分有助于研究太阳系的起源和行星系统形成和演化。此外, 彗星富含水冰和有机分子, 这些都是生命形成的必要元素, 因此研究彗星也有助于研究生命起源。发育完整的彗星由彗核、彗发、氢云、离子彗尾(又称等离子体或Ⅰ型彗尾)和尘埃彗尾(又称Ⅱ型彗尾)构成(图1), 彗核集中了彗星的绝大部分质量, 是彗星的本体。 2015 Vol. 27 (3): 50-56 [摘要] ( 3302 ) [HTML 1KB] [PDF 20141KB] ( 1965 ) 57 电影《星际穿越》中的科学问题——黑洞、白洞和虫洞 Hot! 刘元, 廖进元, 易疏序, 容昱, 贺健健, 尹倩青, 张双南 《星际穿越》是一部科幻电影, 讲述的故事发生在很多年之后, 那时地球环境已经不再适合人类生存。一位宇航员库波为了拯救人类去探索新的宜居星球, 期间历经艰险, 最后和自己的女儿墨菲重逢。电影引人入胜, 科学概念层出不穷, 被评为2014 年“年度最烧脑电影”, 豆瓣网给出了9.1 的高分。 2015 Vol. 27 (3): 57-63 [摘要] ( 4997 ) [HTML 1KB] [PDF 670KB] ( 2331 ) 科学源流 64 物理学史中的五月 萧如珀, 杨信男 热赫曼(Sophie Germain)是在数学和物理史上未受公平对待, 而较不为人知的人物。虽然缺乏正式的教育与训练, 但她是少数在数学和物理方面都做出重要贡献的女性。热赫曼于1776年4月1日出生于巴黎, 父亲是位商人, 最终成了法国银行的总经理。 2015 Vol. 27 (3): 64-65 [摘要] ( 1601 ) [HTML 1KB] [PDF 1172KB] ( 277 ) 66 物理学史中的六月 萧如珀, 杨信男 1947年, 美国物理界才刚从第二次世界大战的破坏后逐渐恢复正常, 洛克斐勒研究所物理化学家马新内斯(Duncan MacInnes)、美国物理学会常务秘书戴洛(KarlK. Darrow)和其他物理学家即兴起筹办一系列小型会议的构想, 以探讨当时最重要的研究问题。谢尔特岛会议是它第一个会议, 主要的议题是量子电动力学, 即描述电子和光子作用理论的现况, 以之构成所有化学、原子物理学和光学的基础。 2015 Vol. 27 (3): 66-66 [摘要] ( 1685 ) [HTML 1KB] [PDF 648KB] ( 313 ) 科学随笔 67 辛勤耕耘六十余载赢得科研硕果累累——贺叶铭汉先生九十华诞 郑志鹏 叶铭汉先生1925年4月2日, 出生于上海的一个书香门第。其叔父叶企孙先生对叶铭汉的成长有极大的影响, 叶企孙先生被誉为“中国物理学教父”, 是我国近代物理的先驱, 在1921年精确测量普朗克常数, 在中国的教育和科研方面做出过卓越贡献。中国许多著名物理学家, “两弹一星”元勋中的大多数都是他的学生。 2015 Vol. 27 (3): 67-71 [摘要] ( 1847 ) [HTML 1KB] [PDF 21494KB] ( 649 ) 编辑部公告 2018年全国物理科普大会通知 更多... 物理科普信息 更多...

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