《統計力學》第三版譯者序言 精選

《統計力學》第三版譯者序言

方錦清

本書第一版中譯本曾於1985和1986年由中國高等教育出版社分上、下冊出版，譯者湛墾華和方錦清是根據本書作者R. K. Pathria1977年的《統計力學》修訂本翻譯的。迄今為止，本書在我國高等教育中已經沿用三十多年了，它在我國統計力學教學和科研中已經發揮了良好的作用，產生了比較廣泛的影響。但是，隨著現代科學技術的突飛猛進，從20世紀80年代開始，特別是1985年以後，國際上統計力學相關的許多課題發生了巨大變化，並取得了重要進展。為了反映這些最新的科研成果，作者於1996年修訂出版了《統計力學》第二版。2009年作者Pathria又邀請Paul D. Beale作為共同作者，對於原書進行了大量的補充完善工作，這次中譯本就是根據2011年他倆合作出版的最新《統計力學》英文第三版重新翻譯出版的。由於中譯本的原來譯者之一湛墾華先生已經辭世多年，本人作為合作譯者，經與高等教育出版社商定，大膽聘用時為博士生的戴越參加《統計力學》英文第三版合作翻譯工作。我們經過兩年多的努力，於2014年已合作完成這本新版《統計力學》的中譯本，可惜鑒於出版社編輯繁忙等緣故，才拖延到了2017年，終於要與廣大讀者見面了。

統計力學的理論和方法，博大精深，普適性大，應用廣泛。國內外對於統計物理知識的需求一直非常迫切，任何新的成果進展都備受國內外各個領域的高度重視和普遍關注，並不斷推動著新興科學的誕生和發展。本書按照量子力學的精神來論述系統的宏觀描述與微觀描述之間的物理聯繫。因此，貫穿全書有兩個主要論點：用一組量子態來表徵一個物理系統的動力學特性；由這些量子態的多重性來確定物理系統的熱力學之特性。書中詳盡地論述了物理系統的平衡態理論，對量子統計學的一些最新應用也作了深入淺出的介紹，其中包括了著者自己的貢獻。

本書第三版增加的最重要課題之一是，玻色-愛因斯坦凝聚現象及其理論方法。20世紀最偉大的物理學家愛因斯坦早在20世紀20年代就提出玻色-愛因斯坦凝聚（BEC)現象的科學預言，但是由於實驗上技術限制遲遲難以實現。正是「山重水複疑無路,柳暗花明又一村」，1997年美籍華人物理學家朱棣文因「發明了用激光冷卻和俘獲原子的方法」榮獲諾貝爾物理學獎。令人可喜的是，正是激光冷卻與囚禁中性原子的技術迅速發展才為BEC的研究提供了及其優越的現代實驗技術，終於在1995年從實驗上觀察實現了氣相原子的BEC現象。美國科羅拉多大學實驗天體物理聯合研究所(JILA)和國家標準技術研究所(NIST)的威曼（Wieman）小組於1995年7月首先報道了在實驗上觀察到的Rb87原子的BEC現象；同年８月，美國萊斯大學（Rice University）的布拉德利（Bradley） 小組報道了Li7原子的BEC的觀察結果；11月，美國麻省理工學院（MIT） 的戴維斯（Davis） 等人又報道了Na23原子的BEC的實驗結果．這三個實驗宣告了在超冷氣體實驗實現了BEC。一石激起千層浪，在全世界物理界引起了強烈反響，成為國際研究玻色-愛因斯坦凝聚的一個重要里程碑而載入物理學史冊。

爾後，21世紀初又在簡併費米氣體中實現了BEC，這些突破性進展導致了不少學科，諸如原子物理、分子物理、光學和複雜網路等出現了革命變化，也為人們理解複雜系統，尤其是凝聚態系統的量子行為和複雜性提供了一條寶貴途徑和有力的理論武器。現在已經建立了一套解析理論來研究有限系統中玻色-愛因斯坦凝聚的行為(如玻色-愛因斯坦凝聚的有限尺度行為)。

令人感興趣和值得關注的是，在《統計力學》第三版里，首先增加的新內容就是「在超冷原子氣體中玻色-愛因斯坦凝聚和簡併費米氣體行為」。作為新興交叉科學的一個典型，20世紀與21世紀之交，複雜網路的研究取得了突破性進展,其中統計力學方法就是一個重要的有力武器。其突出表現在1999年物理學家艾伯特-拉斯洛?巴拉巴西（A. L. Barabasi）和他的博士生阿爾伯特（R. Albert）合作，他們正是利用統計物理方法發現了現實世界複雜網路系統中普遍存在的無標度網路及其無標度特性。而在1998年，博士生瓦茨（Watts）與他的導師史蒂文?斯托羅加茨（Strogatz）發現了小世界網路。上述兩大發現標誌著一門嶄新的廣泛的交叉科學――現代網路科學誕生了，十幾年來，它正以迅猛之勢在國內外繼續深入發展，其應用前景非常廣闊。

更令人驚奇的是，21世紀初，在一些真實世界的複雜網路動態演化中居然發現了類似的玻色-愛因斯坦凝聚現象。與宏觀網路不同，量子網路系統的基本特徵是其節點可是粒子能級或可觀粒子組成，它們從物理上反映微觀粒子的動力學和拓撲性質的演化。例如，量子玻色（Bose）網路，儘管它可能是非平衡的或不可逆的，值得注意的是網路的演化可映射為玻色氣體的變化，特點是：網路節點對應於能級，其連接線表示粒子。這時一個節點吸引了大量的連接線（反映能級大小），其演化成類似於一種星形網路結果，即導致了類似於玻色－愛因斯坦凝聚現象。其中，具有重要價值的複雜網路適應性模型能夠和玻色氣體之間建立精確的數理對應關係。這意味著適應性網路和玻色氣體在其物理行為的原理上是相同的。這裡網路的「適應性」大小取代了BEC中的能量大小，網路中的每個節點分別對應玻色氣體中的一個能級。複雜網路和巨大的量子氣團相似，其中的鏈接行為類似於亞原子粒子。這種對應關係帶來的最重要結果是，某些實際網路會出現BEC現象。最值得慶幸的是，正是因為發現複雜網路中的玻色-愛因斯坦凝聚現象，因此，複雜網路的一些特性及其帶來的效應將微觀和宏觀世界有機地聯繫在一起，從而將網路科學研究從過去長期由數學中圖論佔主導地位一下子推進到了物理學的懷抱，現代統計力學已經名副其實成為網路科學的兩大理論支柱之一，顯示了現代統計力學方法的魅力和驚奇所在。

2002年無標度網路的發現者A?L?巴拉巴西和R?阿爾伯特在美國頂級刊物《現代物理評論》發表了長篇評述：「複雜網路的統計力學」（Statisticalmechanics of complex networks. Rev. Mod. Phys., 2002, 74, 47-98.），系統評價了統計力學理論方法及其在複雜網路中的應用。2011年在本人與畢橋的合著《網路科學與統計物理方法》（北京大學出版社）中，系統總結了主持負責的國家自然科學第一個網路科學重點基金項目等課題研究中取得的成果和經驗，闡明了統計力學對網路科學研究的關鍵作用、具體表現和重要貢獻。毫無疑問，迄今統計力學方法與數學圖論同等並列為網路科學的最重要兩大理論基石。毫不誇張地說，物理學家與各個不同領域學者在這個最大跨學科――現代網路科學及其應用研究中，已經發揮了並必將繼續發揮著舉足輕重的促進作用。

另一個值得注意的是，《統計力學》第三版特別增加了三章新內容，系統全面地論述了複雜系統里的一個關鍵課題：相變理論。分別總結了：臨界性、普適性和標度性（第12章）；各種模型的嚴格結果（第13章）和重正化群方法（第14章）。第15章漲落與非平衡統計力學，比原來新增一節漲落-耗散定理，突出了非平衡統計力學問題，當然對這個令人關注的課題還有待深入發展。另外，第三版還增加了二章，涉及早期宇宙的熱力學和計算機模擬（方法），以及各章補充了習題和附錄等，這樣使得第三版《統計力學》內容更加豐富，課題更加先進，方法更為完善。因此，我願意把該書推薦給我國高校和科研院所的廣大讀者，希望有利於大家在學習和借鑒的基礎上，舉一反三，開拓創新，推動我國科學教育事業的進一步繁榮和發展。

這個新譯本傳承第一版本精神，全書由本人負責組織翻譯，大體分工如下：由本人主要承擔第1-8章、第10章、第15章、附錄A-E；由戴越承擔第9章、第11-14章、第16章、附錄F-I、序言和索引。我們在此非常感謝：第一版翻譯時由江仁壽教授生前的推薦和湛墾華教授的合作，以及鍾金城、徐錫申等編校工作。本次第三版新老內容再次認真全部核實和全新譯出。戴越對英文版勘誤進行了校訂。新版編輯過程中所遇到的不明之處，由編輯王超統一請教了如下教授：中科院半導體研究所姬揚、四川大學吳大誠、南京大學物理學院鞠國興等，他們對本書翻譯的寶貴意見和建議；為了確保習題的翻譯準確無歧義，出版社還在 「朗道集結號讀者QQ群」中請部分讀者閱讀新增習題的譯文。在此，譯者向所有對新譯本做出貢獻的人士致以衷心的謝意。最後，我們要感謝高等教育出版社自然科學學術著作分社的本書責任編輯王超博士，他的耐心、細緻和盡責的辛勤工作，確保完成本書的出版任務。

方錦清研究員2014年11月24日初稿2017年5月12日修改於中國原子能科學研究院

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