图:诺贝尔基金会,1968(公有领域)
拉斯·昂萨格
Lars Onsager1903–1976 · 生于挪威奥斯陆 · 挪威 → 美国
第一次听讲座就站起来指出主讲人错了,后来精确解出了没人解得出的模型
诺贝尔化学奖 1968 发现以他命名的倒易关系,为不可逆过程热力学奠定基础
「我想我可以把它解出来。」
—— 1942 年在一次关于伊辛模型的报告后从听众席起立发言,据在场者回忆
1925 年,二十二岁的昂萨格从挪威跑到苏黎世,去找正在做电解质溶液理论的德拜与休克尔。流传很广的版本是他在讲座上当场起立,当着满屋子人的面说「您的理论不对」——这个说法找不到一手出处;能确认的是他带去了一个异议,而德拜请他留下来当助手。
异议是有分量的。德拜-休克尔理论算离子电导时把周围的离子云当成静止的,可离子本身在动,离子云来不及跟着重排,反过来会拖住它。昂萨格在苏黎世的两年补上了这个弛豫效应,结果就是后来的昂萨格极限定律。
一个不适合讲课的人
昂萨格接下来的履历有点惨烈。1928 年他到约翰斯·霍普金斯大学教书,一个学期后被解聘——他讲课的方式是对着黑板自言自语,学生跟不上,也不知道他在推什么。转到布朗大学后情况没有好转,学生给他的课起了个外号叫「虐待统计力学」。
1933 年他去了耶鲁做博士后。报到之后校方才发现一件事:这个人没有博士学位。
补救办法是让他交一篇论文当博士论文。他交上去的是关于马蒂厄函数的数学工作,化学系的教授们看不懂,一度想请数学系代评。最后耶鲁决定:既然看不懂,那就授予吧。他在耶鲁待到退休。
被忽略了二十年的对称性
1931 年,二十八岁的昂萨格发表了倒易关系。
它说的是这样一件事:把一根金属棒两端加上温差,会产生电流(塞贝克效应);反过来通电流,也会产生温差(珀尔帖效应)。这两种交叉效应的系数——昂萨格证明——必然相等。而且这不限于热与电,任何两种不可逆流之间的交叉系数都满足这种对称性。
证明的根子在微观:单个粒子的运动方程在时间反演下不变,这个对称性在宏观层面留下了痕迹。
这篇论文发在《物理评论》上,此后近二十年几乎无人引用。热力学当时被认为已经完成了,而不可逆过程被认为太混乱、没法处理。直到 1950 年代,随着非平衡热力学成为一个领域,人们才回头发现所有东西的地基早在 1931 年就打好了。1968 年他因此获得诺贝尔化学奖。
「我想我可以把它解出来」
伊辛模型是统计力学里最简单的相变模型:一格一格的自旋,每个只能朝上或朝下,相邻的倾向于同向。问题是,它会不会有相变?
一维的情形伊辛 1925 年自己解出来了,答案是没有相变——这让人一度以为整个模型没用。二维的情形谁也解不出。
1942 年,一场关于这个模型的报告结束后,听众席上的昂萨格站起来说,他已经解出来了。
1944 年论文发表,是二十世纪数学物理最著名的成就之一。他得到了配分函数的闭式解、临界温度的精确值,以及——最重要的——临界指数。而那些指数与当时所有近似理论(平均场)给出的都不一样。
这件事的分量在二十年后才完全显出来:相变附近的行为不由细节决定,而由维度与对称性决定,不同的体系落进同样的「普适类」。这条线索直接通向 1970 年代的重整化群。昂萨格的精确解是检验一切近似方法的标尺——一个理论如果连二维伊辛都算不对,就不必再看了。
他晚年还提出了超流氦中环流的量子化,与费曼各自独立得到同一结论。据说他把这个想法写在一次会议的讨论发言里,简短到几乎没人注意。
代表方程
昂萨格倒易关系
温差能驱动电流,电压也能驱动热流——两种交叉效应的系数必然相等。这条对称性来自微观运动的时间反演不变性,把不可逆过程第一次纳入了可计算的框架。
二维伊辛模型的临界温度
昂萨格 1944 年精确解出了这个模型,得到相变温度的闭式表达式。此前所有理论都只能做近似,而近似给出的临界指数是错的——真实的相变比人们以为的更奇特。
伟大发现
出处
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