统计场论

郭文安

本课程也称统计场论( Statistical field theory ). 本年度课程计划重点讲述临界现象的重正化群理论。主要内容包括:1. 从自旋到场。 包括Ising模型, 相变的朗道方法和朗道-金兹堡理论。2. 路径积分及其高斯近似处理和关联函数 3. 重整化群理论。包括标度理论,高斯不动点,Feynman图,epsilon展开和Wilson-Fisher不动点。 4. 连续对称系统的处理。 O(N) 模型和Goldstone 玻色子, Sigma 模型, $2+\epsilon$展开, Kosterlitz-Thouless 相变(由于疫情,第4部分没有完成)。

本课程主要针对统计物理方向和凝聚态理论强关联方向研究生,程度较高的四年级本科生也可以选修。所需前期课程:热力学统计物理。

主要参考书:

  • David Tong, Statistical Field Theory
  • John Cardy, Scaling and Renormalization in Statistical Physics
  • Nigel Goldenfeld, Lectures on Phase Transitions and the Renormalization Group
  • 马上庚, Modern Theory of Critical Phenomena" (有中译本)
  • 课程信息发布

    讲义

    第一部分 [总论,统计系综]
    • 什么是相变,研究相变的理由
    • 现代物理的围绕对称性和尺度(scale)
    • 统计物理回顾:
      • 系综
      • Density Operator
      • Von Neumann 熵
    第二部分 [ 量子统计:正则分布 ]
    • Quantum Statistical Mechanics
      • 刘维定理
      • 热平衡, 正则分布
      • 从微正则分布导出正则分布
    第三部分 [Ising模型]
    • Ising model
    • effective free energy(有效自由能), saddle point
    • Meanfield theory
      • 有效磁场法
    第四部分 [相变的朗道理论]
    • 序参量,朗道自由能形式
    • B=0, 连续相变:有序与无序相
    • 非解析的起源:热力学极限
    • 对称性的自发破缺
    • B /=0, 一级相变; 可回避的相变
    第五部分 [相变的朗道理论]
    • 临界点附近性质
    • 朗道平均场理论的有效性
      • 与空间维度有关,d_l与d_u
      • 临界指数
      • 普适性初探:Ising model 与气液相变,lattice gass
    • 朗道-金兹堡理论
      • 序参量升级为局域序参量: field m(x)
      • 有效自由能F[m(x)]:朗道-金兹堡自由能
    第六部分 [相变的朗道理论]
    • 朗道-金兹堡自由能满足的要求, 一般形式
    • 配分函数与路径积分
    • 经典力学回顾:拉氏量与作用量,最小作用量原理
    • 量子力学的路径积分形式,经典路径
    第七部分 路径积分,统计物理,量子场论
    • 路径积分与统计物理
    • 多粒子系统的路径积分,量子场论
    第八部分 Ising model的场论描述
    • Ising model的场论形式
    • The saddle point and domain walls
      • saddle point对应经典路径
    • Ising model的下临界维数
    第九部分 路径积分的高斯近似
    • 高斯近似
      • T>T_c
      • T < T_c, 围绕m_0的涨落
    • 热力学自由能的计算, 动量空间
    • 热容的计算: 比热发散alpha=2-d/2; d>=4, 与d<4.
    第十部分 关联函数
    • 定义,反映空间涨落
    • 高斯近似下的计算, G(x-y)
      • 定义关联长度
      • 两个极限: r>>xi, G(r); r<< xi, G(r); Ornstein-Zernicke correlation
    第十一部分 关联函数
    • 关联函数是格林函数
    • 关联函数与磁化率
    • 关联长度临界指数和反常临界指数
    • 数学补充: 高斯积分和Wick定理
    第十二部分 金兹堡判据和量纲分析
    • 上临界维数: 金兹堡判据
    • 量纲分析
      • 标度律或幂律(power law)
      • 标度函数不一定是解析的
      • 对朗道-金兹堡自由能的量纲分析, d<4时微扰无效
    第十三部分 量纲分析和标度理论
    • 临界指数的量纲分析
    • 反常维度出现的原因: 关联长度之外的长度尺度--截断尺寸
    • 相变的标度理论
      • 标度假设
      • 标度变换(scaling),标度维数(scaling dimension)
      • 标度律
    第十四部分 重正化理论
    • 重正化变换
      • 粗粒化
      • 重标(rescale)
    • beta function, RG 流
    • 高斯不动点
    第十五部分 重正化理论
    • 重正化流分析: 不动点, scale invariance, 与临界面(critical surface)
    • 基本假设: 临界系统位于不动点的临界面上; 普适性的起源
    • 不动点附近线性化变换
    • 不动点性质:relevant, irrelevant, marginal 方向
    • 临界指数的计算
    • 高斯不动点临界指数
    第十六部分 [处理相互作用的重正化]
    • F_G和F_I
    • 累计展开
    • g_0的一阶, < F_I >_+
    • Feynman diagrams
    第十七部分 [处理相互作用的重正化]
    • g_0的二阶
      • Wick定理
      • 高斯不动点的稳定性, d > 4与d < 4
      • Feynman diagrams, 详细规则
    第十八部分 [处理相互作用的重正化]
    • Beta functions, RG 写成微分方程
    • Epsilon expansion d=4-epsilon
      • epsilon 一阶, 新的不动点: Wilson-Fisher 不动点
      • 临界指数计算
    第十九部分 连续对称性系统
    • 对称性的重要性
    • O(N) models
    • 有序相的Goldstone Bosons (Goldstone modes)
      • 关联函数power law decay, eta=0