软物质

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“软物质”这个词, 大约是第一次由Pierre-Gilles de Gennes(中文早期翻译为德.让纳, 最近看到翻译为德.热纳, 还有人翻译成热纳)明确提出来的. 他在1991年获得诺贝尔物理奖之后, 所做诺贝尔讲座的题目就是”Soft Matter”, 这个讲座的内容后来发表在1992年的”科学”(Science 256 (5056), 495-497 (1992))和”现代物理评论”上(Review of Modern Physics 64, #3, 645-648 (1992)).

软物质和软物质的研究并不是在德.热纳提出这个名词之后才有的, 实际上, 这个名词的提出, 是这样一个非常广泛, 非常有趣的研究领域开始走向成熟的标志. 在此之前, 有关软物质的描述中用的最多的词是”复杂流体 (Complex fuids)”,  这个词目前仍然在文献中广泛使用.

众所周知, 流体是很复杂的, 学习和研究流体力学需要一定的牺牲精神和冒险精神. 如果在已经非常复杂的流体前面加上复杂两个字, 很容易吓走很多学生. 另一方面, 软物质是个没有深浅, 而且很女性化的名词, 表面看上去有一点神秘, 但更多的是一种亲近感和探索的冲动.

给”软物质”这个词一个确切的定义并不容易, 事实上, 对于科学研究和探索的自然现象,给以一个如”软物质是研究xxxxxxxxxx的科学”这样的定义, 对于研究本身就是有害的. 当前, 政府和各级科学管理机构都提倡交叉学科的研究, 但是, 很多交叉学科类的研究项目却很难得到基金的资助, 与各个学科都具有这种形式的定义不无关系. 但无论如何, 我们应该解释这个词. 粗略的讲, 软物质包括了两个方面, 一个是她的复杂性, 另一个是她的易变性. 这两个方面又是互相联系在一起的. 物理学家喜欢简单的东西, 在很多场合, 我们能够听到”简单就是美”这样的表述. 学生学习物理, 往往是从质点, 刚体学起的, 这都是一大类宏观物体的宏观表现的简单抽象. 然后, 学生会学到理想气体, 会学到计算一个导体球或电介质球周围的电场分布, 学到计算一个振动着的点偶极子的推迟势和辐射角分布(据说现在很多物理系的毕业生和研究生不会算这个东西, 这是有点悲哀的), 学到解氢原子的定态薛定谔方程等等.  然后, 我们会在解出来的东西上面加一点别的东西, 看看这点东西的效果和影响. 这样, 我们得到了很多有用的结果. 例如, 比刚体多一点, 叫做弹性力学, 是说每个构成弹性体的质点可以在其平衡位置附近稍为活动活动; 比理想气体多一点, 叫做”实气体”, 是说每个气体分子基本上是自由的, 相互之间有一点点作用. 有时候, 一些表面上相互作用很强的个体, 如果把他们重新组合一下, 就会得到一些差不多是理想气体的东西, 这个东西的每一个个体叫做”元激发”或”准粒子”, 在他们的基础上, 再加上一点点相互作用, 也就到了基本上是理想的状况. 处理这样一些问题的理论方法基本上是一样的, 叫做微扰论或者摄动理论. 而软物质的研究对象是高分子, 胶体, 表面活化剂, 酶, 液晶这样一些对象, 对于这些物质, 我们找不到一个像理想气体的东西做为研究她们的出发点, 她们一上来就是复杂和神秘的. 对于上述的这些研究对象, 每一种又都是非常容易改变的. 很小的外界作用常常会导致非常大的变化, 橡胶高分子液体中加入少量的硫, 就得到了看上去是固体的橡胶, 液晶显示器中的液晶分子, 只要非常小的能量, 就可以维持分子的不断翻转. 豆浆中加入少量的卤水, 就变成了豆腐. 这种变化, 看上去是非常大的, 如果我们不熟悉这些现象, 不是已经习以为常, 我们看到这些小影响导致大变化的时候, 我们大概会为她们的易变性而发疯. 这种复杂性和易变性是软物质的重要特征, 也决定了她的长期的, 引人入胜的, 吸引人的魅力.

注：软物质的易变性指的是软物质的抵抗力比较弱, 变化通常也是非线性的, 但系统变化的方向和大小还是可以知道的, 当然是在对她有了深入的了解之后. 软物质的研究对象基本上都是属于化学, 化工, 生物等学科, 物理学在这个领域基本上是个外来者, 同时, 物理学的研究基本上还处于自我满足(差点用了一个不文明的词)的阶段, 包括De Gennes的很多工作, 对于软物质的应用所起的作用很小.不过倒是有一些有趣的故事, 我在德国有个朋友, 原来是一个化妆品公司的RD人员, 学化工的, 后来老是想更深入地了解化妆品,就到一位做软物质的教授那里拿了个博士,目前做的很带劲,只是收入大减.