統計力學二:量子與臨界現象

重整化群(renormalization group)

退後一步、瞇起眼看一個系統,把最細微的細節模糊掉,然後問:在這個新的、較粗的尺度下,世界看起來如何?反覆這麼做,觀察那有效的描述如何演變。這個看似簡單的想法——有系統地消去短距離的自由度、觀察理論如何隨尺度改變——就是重整化群,它正是最終解釋了臨界指數為何取那些數值、以及普適性究竟為何存在的工具。

一次 RG 變換對系統做粗粒化(例如卡達諾夫的區塊自旋建構,把每一區塊的自旋換成單一有效自旋),接著把長度重新標度回原本的間距,並重整化場。其淨效果是耦合常數空間上的一個映射:每一步把一組耦合送往另一組,在「理論空間」中生成一道流。此流的不動點——耦合映射到自身之處——具有尺度不變性,而臨界點就恰好坐落於這樣一個不動點上。將不動點附近的流線性化,可把擾動分類為相關的(在粗粒化下增長,把系統推離臨界)、無關的(縮小消失,其被沖刷殆盡正是普適性的來源)、或邊際的(臨界情形)。臨界指數便可直接由不動點處線性化 RG 變換的本徵值讀出。肯尼斯·威爾森把它發展成一套計算方法(1982 年諾貝爾獎)。

重整化群由第一原理解釋了臨界指數與普適性,而同一套框架也支配量子場論中耦合常數的「跑動」(running),在那裡它解釋了強交互作用的漸近自由。關於名稱的一個誠實但書:RG 其實是一個「半群」,因為粗粒化捨棄了資訊、無法逆轉——你無法把流倒著跑回去以還原細粒化的理論。「群」是一個歷史遺留的誤稱。而在實務上,這道流只能近似地計算,透過如四維附近的 epsilon 展開或蒙地卡羅模擬等方案。

在二維易辛模型的區塊自旋圖像中,人們把自旋分組成區塊,以多數決給每個區塊指派單一自旋,再重新標度。反覆迭代這道流,恰在 T_c 的系統會停留在臨界不動點,而任何稍微偏離 T_c 的系統,則會穩定地流離而去,奔向全有序或全無序的不動點。

在 RG 流之下,臨界點是一個不動點;鄰近的系統則從它流離而去。

儘管名為「群」,RG 其實是半群:粗粒化會遺失資訊、不可逆轉。臨界指數是不動點處線性化流的本徵值,而無關耦合流向零,正是微觀相異的系統為何共享相同指數(普適性)的原因。

又稱
RGrenormalization-group flow重正化群