開放叢集與滲流機率(the open cluster and the percolation probability)
一旦隨機介質就位,最具資訊量的單一量是滲流機率 theta(p):原點落在無限開放叢集中的機率。它扮演相變的序參量角色——在 p_c 一側恰為零、另一側嚴格為正的那個數,就像磁鐵在居禮溫度兩側的磁化強度。研究 theta(p) 正是我們把「流體能流向無限遠」這句含糊的話化為 p 的精確函數的方式。
記 C = C(0) 為原點的開放叢集,|C| 為其所含頂點數。滲流機率為 theta(p) = P_p(|C| = 無限),即原點叢集為無限的機率。由平移不變性,原點並不特殊,因此 theta(p) 也是屬於某無限叢集的頂點密度:由遍歷定理,方盒 [-n,n]^d 中落在無限叢集裡的比例幾乎必然收斂到 theta(p)。函數 theta 對 p 不減(更多開放邊只會助益連通,可由 FKG 不等式與耦合嚴格證明),它右連續,且 theta(0) = 0、theta(1) = 1。臨界機率於是恰好定義為閾值 p_c = sup{ p : theta(p) = 0 }:在 p_c 以下,原點叢集幾乎必然有限;在 p_c 以上,它有正機率為無限。
知道 theta(p) > 0 與知道幾何並不相同。一個微妙而著名的未解問題是臨界點處的連續性:theta(p_c) = 0 嗎?也就是說,恰在臨界處是否沒有無限叢集?此事在 d = 2(Harris、Kesten)與高維(Hara-Slade,藉由蕾絲展開)已知,但對物理上有趣的中間維度如 d = 3,截至 2020 年代初仍未證明。其重要性在於:theta(p_c) = 0 正是讓相變連續(二階)的原因,而大部分的標度與共形不變性圖像都預設了它。
在無限二元樹(貝特格)上模型可精確求解:每個頂點有 2 個子節點,叢集是後代分布為二項(2,p) 的高爾頓-沃森樹。原點叢集以正機率為無限,恰當平均後代數 2p 超過 1 時成立,故 p_c = 1/2,且可由滅絕機率方程顯式算出 theta(p)。
在樹上,滲流化約為分支過程——theta(p) 可計算的最乾淨情形。
theta(p) 為正只告訴你無限叢集以正機率存在;由 0-1(遍歷性)論證,「某處存在無限叢集」這個事件的機率其實為 0 或 1,但 theta(p) = P(原點落在其中) 在超臨界相中是介於 0 與 1 之間的真正密度。