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出版者:Springer

作者:Dauoud, Mohamed; Daoud, Mohamed; Williams, Claudine E.

出品人:

页数:320

译者:

出版时间:1999-04-14

价格:USD 149.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540648529

丛书系列:

图书标签:

科学和心理学
复杂系统
软物质物理
凝聚态物理
材料科学
物理学
流体力学
界面科学
高分子物理
统计物理
非平衡态热力学
生物物理学

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具体描述

What do colloids, fractals, liquid crystals, and polymers have in common? Nothing at first sight. Yet the distance scales, the energy transfers, the way these objects react to an external field are very similar. For the first time, this book offers an introduction to the physics of these soft materials in one single volume. A variety of experiments and concepts are presented, including the phenomena of capillarity and wetting, fractals, small volumes and large surfaces, colloids, surfactants, giant micelles and fluid membranes, polymers, and liquid crystals. Each chapter is written by experts in the field with the aim of making the book accessible to the widest possible scientific audience: graduate students, lecturers, and research scientists in physics, chemistry, and other disciplines. Nobel Prize winner Pierre-Gilles de Gennes inspired this book and has written a foreword.

凝聚态物质中的智能与演化：从拓扑结构到复杂系统作者： [此处可插入虚构作者姓名] 出版社： [此处可插入虚构出版社名称] ISBN： [此处可插入虚构ISBN号] 书籍简介：本书深入探讨了凝聚态物质领域中一系列前沿且极具活力的研究方向，其核心聚焦于物质在复杂环境下的结构演化、拓扑性质的内在关联以及系统涌现出的宏观智能行为。它并非仅仅关注于传统意义上的晶体或简单的流体模型，而是将视野投向了那些介于有序与无序之间，展现出丰富非平衡态特性的材料体系——例如活性物质、时空晶格、量子拓扑材料以及复杂自组装体系。本书旨在为研究人员、高年级本科生及研究生提供一个跨学科的视角，连接统计物理学、非线性动力学、几何学和信息论，以理解物质如何“计算”和“记忆”其历史状态，并基于此进行适应性的响应。 --- 第一部分：非平衡态的几何学与拓扑学基础 (The Geometry and Topology of Non-Equilibrium Systems) 第1章：缺陷、编织与动态拓扑不变量本章从拓扑学的基础概念出发，超越了欧拉示性数等静态拓扑量，重点剖析动态系统中的拓扑缺陷（如扭结、斯格明子、涡旋线）的产生、迁移与湮灭机制。我们深入研究了在非平衡驱动下，材料内部如何形成和演化出具有拓扑保护的“记忆结构”。特别地，我们详细讨论了活性物质（如驱动颗粒、细菌群体）中拓扑缺陷作为信息载体的角色，以及它们如何驱动宏观尺度的物质运输和自修复过程。内容涵盖了2D和3D空间中拓扑场论在凝聚态系统中的应用，以及如何利用陈-西蒙斯作用量来描述体系的拓扑性质随时间的变化。第2章：时间晶体与周期性驱动下的相变传统的相变理论依赖于平衡态的最小自由能原理，而本章则聚焦于周期性驱动系统（Floquet 系统）中的新奇相态。我们详细阐述了离散时间晶体（Discrete Time Crystals）的定义、识别标准以及其对外部微扰的鲁棒性。探讨了由激光、电场等周期性输入导致的能带重构和拓扑边界态的形成，这些结构在时空维度上展现出超越传统晶体的周期性。本章还讨论了如何通过高阶拓扑不变量来区分这些非平衡相，以及它们在量子计算中的潜在应用，例如在抗退相干的量子存储器设计中的可能性。第3章：自旋液体与张量网络表征尽管自旋液体（Spin Liquids）常被视为一种接近基态的平衡现象，但我们将其置于信息熵和纠缠结构的视角下进行分析。本章详述了张量网络态（如MPS, PEPS）作为描述强关联电子系统基态的有效工具。通过分析这些网络结构中的纠缠熵谱，可以揭示系统内在的拓扑序，即使在存在热涨落或轻微的驱动扰动时，这种拓扑特征依然保持稳定。重点分析了 Kitaev 模型在不同物理实现中的张量网络分解，以及分形纠缠结构在模拟高维拓扑序中的作用。 --- 第二部分：复杂系统中的自组织与涌现智能 (Self-Organization and Emergent Intelligence in Complex Systems) 第4章：活性物质的集体动力学与尺度无关性活性物质（如细胞悬浮液、聚合物凝胶中的驱动分子）的独特之处在于它们能将化学能或机械能转化为有序的宏观运动。本章重点解析活性物质的非线性动力学方程，特别是集体运动的出现机制——从短程斥力驱动的米氏团簇（MIPS）到长程极化相互作用驱动的奔跑波（Run-and-Chase Waves）。我们深入研究了这些系统中的速度分布函数和速度自相关函数，并揭示了在特定参数区域内，这些集体行为如何表现出尺度无关的幂律行为，暗示着系统内部存在着某种深层次的临界现象。第5章：信息传播与耗散结构中的计算能力本章将物理系统视为一个信息处理器。我们不再将耗散视为负面的能量损失，而是将其视为计算的必要成本。通过分析化学振荡网络、非平衡离子通道等系统，我们探讨了信息是如何在这些耗散结构中被编码、存储和传播的。讨论了“智能”在物理系统中的操作性定义，例如系统对环境变化的鲁棒性、对输入信号的非线性响应，以及如何利用随机游走理论来量化这些系统处理信息流的效率。特别关注了费曼-希尔斯（Feynman-Smoluchowski）热力学极限在评估信息处理成本中的应用。第6章：自组装与演化：信息熵与形态生成的耦合本章探讨了物质如何通过自下而上的过程，从简单的组分演化出具有特定功能的复杂宏观形态。这涉及到分子识别、界面能与驱动力的精妙平衡。我们利用信息论工具来量化组装结构中携带的“功能信息”，并将其与驱动自组装过程的自由能耗散联系起来。核心内容包括： 1. 拓扑受限下的组装：几何约束如何指导球形胶体形成晶体、螺旋或更复杂的超晶格结构。 2. 演化算法的应用：将物理组装过程视为一种适应性景观搜索，探讨了哪些物理参数的微小改变会导致系统跳跃到完全不同的宏观形态。 3. 记忆与可编程性：如何设计材料，使其组装后的结构能“记住”驱动它们的环境条件（如温度、pH值），并在特定触发下进行可逆的形态重构。 --- 第三部分：跨尺度耦合与宏观响应 (Multiscale Coupling and Macroscopic Response) 第7章：流变学中的非线性黏弹性与结构弛豫本章将活性物质的动力学原理扩展到复杂流体（如聚合物熔体、生物凝胶）的宏观流变学行为。我们分析了剪切速率、应力历史对材料结构松弛时间的影响。重点阐述了高维相空间中的流变轨迹如何揭示亚结构（如交联点、缠结点）的动力学。引入了Prony 级数和广义 Maxwell 模型的局限性，并提出基于非线性反馈的修正模型，以准确描述材料在极端应力下的剪切稀化与应变软化现象。第8章：声子、激子与耦合振子的非线性相互作用超越传统的线性响应理论，本章关注能量载体（声子、激子、极化激元）在高密度或强场作用下的非线性耦合。通过研究非线性薛定谔方程的解（如孤波、暗孤波），我们揭示了能量如何在晶格中以稳定、局部化的波包形式传播，而不发生耗散。这在光电材料的能量传输和量子模拟中具有关键意义。此外，探讨了缺陷诱导的局域化模式如何捕获和放大环境中的振动能，从而影响材料的热力学性能。结语：未来展望：从物理系统到类生命计算总结了非平衡物理学在理解开放、耗散、演化系统中的统一框架，并展望了如何将这些物理原理应用于设计下一代适应性材料、传感器和生物启发机器人。 --- 本书的特色在于其严格的理论基础与对前沿实验现象的深刻洞察相结合，强调物理学家应对复杂性挑战的工具箱扩展，即从平衡态的解析解转向非平衡态的数值模拟、信息论分析和拓扑保护的视角。它挑战读者将“有序”的概念从晶体结构扩展到动态的、信息处理的结构中。