滲流與統計力學

凱斯滕定理:方格上 p_c = 1/2(Kesten's theorem p_c = 1/2 on the square lattice)

/ Kesten: KESS-ten /

對方格 Z^2 上的鍵滲流,臨界機率恰為 1/2——一個乾淨、有理、完全被證明的值,與幾乎所有其他格僅有數值 p_c 形成對比。凱斯滕(Kesten)1980 年的定理是二維滲流的里程碑,其證明把對偶性、相關不等式,與如今居核心地位的跨越機率概念(魯索-西摩-韋爾什,Russo-Seymour-Welsh 理論)交織在一起。它是對物理學家長久以來基於對稱性所信之值的嚴謹確認。

答案是 1/2 而非他者的原因是自對偶。Z^2 的平面對偶又是 Z^2 的一份副本,並有一個漂亮的耦合:在每條原始邊上放一條橫穿的對偶邊,宣告對偶邊為開恰當原始邊為閉時。則原始格中矩形的左右開放跨越,恰被對偶格中的上下開放跨越所阻擋。若原始格在參數 p,對偶格便在參數 1-p,故自然的自對偶點是 p = 1-p,即 p = 1/2。哈里斯(Harris,1960)曾用對偶加 FKG 證明 theta(1/2) = 0,因而 p_c >= 1/2(在 1/2 不滲流)。困難的方向 p_c <= 1/2 是凱斯滕的:他證明對 p > 1/2 滲流發生,用尖銳閾值/RSW 方盒跨越論證,把 1/2 處跨越相等的事實升級為其正上方的無限叢集。兩者合起來把 p_c 精確釘在 1/2。

兩個告誡讓此事保持誠實。第一,乾淨的值 1/2 是 Z^2 上鍵滲流所特有;Z^2 上的位滲流 p_c 約為 0.5927 且無封閉形式,而自對偶的三角格在位滲流下才有 p_c = 1/2。第二,「1/2」指的是相變的位置,而非該處的密度:凱斯滕與哈里斯合起來也給出 theta(1/2) = 0,故 Z^2 上恰在臨界並無無限叢集——相變連續。整座大廈奠基於平面對偶,這正是為何這些精確值是二維的奢侈品,在 d >= 3 中沒有對應。

考慮 Z^2 鍵滲流在 p = 1/2 的一個 (n+1)×n 矩形。由對偶耦合,左右開放原始跨越的機率加上上下開放對偶跨越的機率等於 1,而由格對稱性此二者相等,故各恰為 1/2。p = 1/2 處這個精確的跨越恆等式,是 RSW 為所有長寬比生長出一致跨越界的種子。

p = 1/2 處的自對偶:原始與對偶跨越互補,且由對稱性等可能。

p_c = 1/2 只對 Z^2 的鍵滲流精確成立;Z^2 的位滲流沒有封閉形式。而 1/2 是相變位置,非該處密度——theta(1/2) = 0,故臨界處無無限叢集。

又称
p_c(Z^2) = 1/2Kesten 1980self-duality of Z^2 percolationZ^2 滲流的自對偶凱斯滕 1980