相变与临界现象

朗道理论

/ LAN-dow THEER-ee /

想象一颗弹珠在碗里滚动。它总会停在最低处。现在设想你缓缓地把碗重新捏形:起初它中间只有一个底,可当你弯折它时,中间鼓了起来,两侧各冒出一个新的低点。弹珠只好离开中央,滚向一侧。朗道理论,正是物理学家用来精确勾勒材料在相变附近这只不断变形的碗的配方。

列夫·朗道的想法,是把自由能——系统试图去最小化的那个量,就像弹珠寻找最低点——写成序参量的一个简单多项式。在转变附近序参量很小,所以只有最前面的几项要紧。随着温度变化,那些系数随之挪动,这片能量地形的形状就从零处的单一深谷(无序相),变成最低点偏向一侧的双谷(有序相)。碗底坐落在哪里,告诉你平衡时的序参量;碗如何重新塑形,则告诉你转变是突然的还是平滑的。

朗道理论之所以重要,是因为它几乎不依赖微观细节,就抓住了惊人广泛的一大批转变在定性上的形状,并且是日后一切理论的跳板。它诚实的局限在于:它忽略了在非常靠近连续相变时占据主导的剧烈涨落,所以恰好在临界点上,它对临界指数之类的定量预言往往是错的。它是一幅精彩的初稿,而非最终的画像。

对一块磁铁,朗道理论把能量写成关于磁化强度的一条曲线。在居里温度以上,曲线是一只居中于零的单一碗,所以不偏好任何磁化。冷却到温度以下,曲线就屈曲成双坑——在相反磁化处出现两道一样深的山谷——磁铁便滚进其中一道,从而带上磁性。

磁铁的朗道能量曲线:转变以上是单一深谷,转变以下是双谷。

朗道理论是物理学家所说的「平均场」方法:它设想材料的每一处都感受到周遭的一个平滑平均,而忽略了局部的随机起伏。正是这个简化,让它恰好在临界点处栽了跟头——因为在那里,局部涨落才是主角。

又称
Landau theory of phase transitions朗道相变理论