统计物理 · 第四部分 相互作用系统与相变 · 第 20 章

重整化群初步(选讲)

A First Look at the Renormalization Group (Optional)
已完成讲义更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0
本章目标

(1) 理解卡达诺夫的块自旋思想:临界点附近,系统在尺度变换下"看起来一样";(2) 对一维伊辛模型严格地做一次重整化变换,看清不动点与重整化流;(3) 对二维伊辛模型做一个近似的重整化变换,得到有限的临界温度与临界指数 ν\nu;(4) 理解不动点的线性化如何给出临界指数,以及普适性从何而来;(5) 了解威尔逊–费希尔不动点与 ε\varepsilon 展开。

§20.1尺度变换的思想

在临界点 ξ=∞\xi = \infty,涨落出现在一切尺度上:大的有序区域中套着小的有序区域,小的里面又套着更小的。系统没有特征长度,在统计意义上是自相似的。

卡达诺夫(1966)的想法:把自旋分成边长为 bb(以晶格常数为单位)的小块,每块用一个"块自旋"代替(例如取块内多数自旋的方向),块自旋之间有某种有效相互作用 K′K'。新的晶格常数是原来的 bb 倍,所以以新的晶格常数为单位,关联长度变为 ξ′=ξ/b\xi' = \xi/b。这样的变换 K→K′=R(K)K\to K' = R(K) 称为重整化变换;它保持配分函数(长波长的物理)不变,只是去掉了短尺度的细节。

反复变换时:若 ξ\xi 有限,它不断缩小,系统流向完全无序(K→0K\to0)或完全有序(K→∞K\to\infty)的平凡状态;若 ξ=∞\xi = \infty,变换后仍然是 ∞\infty。所以临界点对应于重整化变换的不动点 K∗=R(K∗)K^\ast = R(K^\ast)。

§20.2一维伊辛模型的抽取变换

零场一维链,K=βJK = \beta J。对每隔一个的自旋求和("抽取"),例如对 s2s_2:

∑s2=±1eKs1s2+Ks2s3=2cosh⁡K(s1+s3)≡A eK′s1s3\sum_{s_2=\pm1}e^{Ks_1s_2 + Ks_2s_3} = 2\cosh K(s_1 + s_3)\equiv A\,e^{K's_1s_3}

右边是剩下的自旋之间的新的近邻耦合。分别取 s1=s3s_1 = s_3 与 s1=−s3s_1 = -s_3:2cosh⁡2K=AeK′2\cosh2K = Ae^{K'},2=Ae−K′2 = Ae^{-K'}。两式相除得 e2K′=cosh⁡2Ke^{2K'} = \cosh2K,即

tanh⁡K′=tanh⁡2K,A=2cosh⁡2K(20.1)\tanh K' = \tanh^2K,\qquad A = 2\sqrt{\cosh2K} \tag{20.1}

(由 tanh⁡K′=e2K′−1e2K′+1=cosh⁡2K−1cosh⁡2K+1=2sinh⁡2K2cosh⁡2K\tanh K' = \frac{e^{2K'} - 1}{e^{2K'} + 1} = \frac{\cosh2K - 1}{\cosh2K + 1} = \frac{2\sinh^2K}{2\cosh^2K}。)这次变换是严格的:新的链仍然只有近邻相互作用,b=2b = 2。

重整化流。因为 tanh⁡K<1\tanh K<1,tanh⁡K′<tanh⁡K\tanh K'<\tanh K:每做一次变换,耦合都变弱,最终流向 K=0K = 0(无穷高温)。不动点只有两个:K∗=0K^\ast = 0(稳定,吸引一切有限的 KK)与 K∗=∞K^\ast = \infty(T=0T = 0,不稳定)。没有有限温度的不动点,所以没有有限温度的相变——与 §18.2 一致。

K′(K)K'(K),(20.1)K′=KK' = K迭代的路径
K′K'
KK
K (变换以后)K\ \text{(变换以后)}
—
ξ/a\xi/a
—
ξ0/ξ=2n\xi_0/\xi = 2^n
—
图 20.1一维伊辛模型的抽取变换 tanh⁡K′=tanh⁡2K\tanh K' = \tanh^2K。曲线始终在对角线下方:每变换一次耦合就变弱,关联长度减半,最终流向 K=0K = 0。两条线只在 K=0K = 0 和 K=∞K = \infty 相交,没有有限温度的不动点,所以一维没有相变。

检验:由 (18.9),ξ(K)=−1/ln⁡tanh⁡K\xi(K) = -1/\ln\tanh K,所以 ξ(K′)=−1/ln⁡tanh⁡2K=ξ(K)/2\xi(K') = -1/\ln\tanh^2K = \xi(K)/2:恰好是 ξ′=ξ/b\xi' = \xi/b。

§20.3二维伊辛模型的近似重整化

在正方晶格上,把格点按国际象棋棋盘那样分成两套,对其中一套("黑格")的自旋求和。剩下的"白格"自旋组成一个转过 45° 的正方晶格,晶格常数为原来的 2\sqrt2 倍(b=2b = \sqrt2)。被求和的自旋 s0s_0 有 4 个近邻 s1,s2,s3,s4s_1,s_2,s_3,s_4(按顺序绕一圈):

∑s0eKs0(s1+s2+s3+s4)=2cosh⁡K(s1+s2+s3+s4)=Aexp⁡[a′(s1s2+s2s3+s3s4+s4s1)+c′(s1s3+s2s4)+d′s1s2s3s4]\sum_{s_0}e^{Ks_0(s_1+s_2+s_3+s_4)} = 2\cosh K(s_1+s_2+s_3+s_4) = A\exp\left[a'(s_1s_2 + s_2s_3 + s_3s_4 + s_4s_1) + c'(s_1s_3 + s_2s_4) + d's_1s_2s_3s_4\right]

右边是能够写出的最一般的对称形式。比较四种情形:(i) 四个自旋相同:ln⁡(2cosh⁡4K)=ln⁡A+4a′+2c′+d′\ln(2\cosh4K) = \ln A + 4a' + 2c' + d';(ii) 三同一异:ln⁡(2cosh⁡2K)=ln⁡A−d′\ln(2\cosh2K) = \ln A - d';(iii) 两两相邻同号(如 ++−−++--):ln⁡2=ln⁡A−2c′+d′\ln2 = \ln A - 2c' + d';(iv) 交错(+−+−+-+-):ln⁡2=ln⁡A−4a′+2c′+d′\ln2 = \ln A - 4a' + 2c' + d'。由 (iii)、(iv) 得 a′=c′a' = c';(i) 减 (iv) 得 8a′=ln⁡cosh⁡4K8a' = \ln\cosh4K;(ii)、(iii) 给出 d′=c′−12ln⁡cosh⁡2Kd' = c' - \frac12\ln\cosh2K:

a′=c′=18ln⁡cosh⁡4K,d′=18ln⁡cosh⁡4K−12ln⁡cosh⁡2K(20.2)a' = c' = \frac18\ln\cosh4K,\qquad d' = \frac18\ln\cosh4K - \frac12\ln\cosh2K \tag{20.2}

在新的晶格中,每一对近邻(如 s1s_1、s2s_2)同时与两个被求和的自旋相邻,所以新的近邻耦合为 K1=2a′=14ln⁡cosh⁡4KK_1 = 2a' = \frac14\ln\cosh4K;次近邻耦合(如 s1s_1、s3s_3)为 K2=c′=18ln⁡cosh⁡4KK_2 = c' = \frac18\ln\cosh4K;此外还出现了四自旋耦合 K3=d′K_3 = d'。变换后的哈密顿量比原来的复杂——这是重整化变换的普遍特点:耦合常数的空间不断扩大。

近似。略去四自旋耦合,并把次近邻耦合并入近邻耦合(在有序态中两者都使自旋平行,每个自旋有 4 个近邻与 4 个次近邻,贡献相近):

K′≈K1+K2=38ln⁡cosh⁡4K(20.3)K'\approx K_1 + K_2 = \frac38\ln\cosh4K \tag{20.3}

不动点。数值求解 K∗=38ln⁡cosh⁡4K∗K^\ast = \frac38\ln\cosh4K^\ast,得 K∗≈0.507K^\ast\approx0.507,即 kBTc/J≈1.97k_{\mathrm B}T_{\mathrm c}/J\approx1.97(严格值 2.269)。K<K∗K<K^\ast 时流向 K=0K = 0(无序相),K>K∗K>K^\ast 时流向 K=∞K = \infty(有序相):近似的变换正确地给出了有限温度的相变。

临界指数。在不动点附近线性化:δK′=λ δK\delta K' = \lambda\,\delta K,λ=dK′dK∣K∗=32tanh⁡4K∗≈1.449>1\lambda = \left.\frac{dK'}{dK}\right\rvert_{K^\ast} = \frac32\tanh4K^\ast\approx1.449>1(偏离不动点的扰动被放大)。设 ξ=C∣K−K∗∣−ν\xi = C\lvert K - K^\ast\rvert^{-\nu}。由 ξ(K)=b ξ(K′)\xi(K) = b\,\xi(K'):C∣δK∣−ν=bC∣λδK∣−νC\lvert\delta K\rvert^{-\nu} = bC\lvert\lambda\delta K\rvert^{-\nu},即 λν=b\lambda^\nu = b:

ν=ln⁡bln⁡λ=ln⁡2ln⁡1.449≈0.935(20.4)\nu = \frac{\ln b}{\ln\lambda} = \frac{\ln\sqrt2}{\ln1.449}\approx0.935 \tag{20.4}

严格值是 ν=1\nu = 1。一个如此粗糙的近似给出了相当接近的结果,而且它的思路可以系统地改进(保留更多耦合)。

§20.4不动点、相关变量与普适性

一般地,把所有耦合常数写成一个矢量 K=(K1,K2,… )\mathbf K = (K_1,K_2,\dots),重整化变换为 K′=R(K)\mathbf K' = R(\mathbf K)。在不动点 K∗\mathbf K^\ast 附近线性化:δKa′=∑bMabδKb\delta K_a' = \sum_bM_{ab}\delta K_b。把 δK\delta\mathbf K 按矩阵 MM 的本征矢量展开,各分量(称为标度场 uiu_i)在每次变换中独立地乘以本征值 λi=byi\lambda_i = b^{y_i}:ui′=byiuiu_i' = b^{y_i}u_i。

  • yi>0y_i>0:相关变量,变换中被放大。要到达临界点,必须把它们精确地调为零。伊辛模型有两个:温度 tt 与磁场 hh。
  • yi<0y_i<0:无关变量,变换中逐渐消失。次近邻耦合、晶格结构、流体中缺少的粒子–空穴对称性等微观细节都属于这一类。
  • yi=0y_i = 0:边缘变量,通常导致对数修正。

普适性的来源:微观上不同的系统,只要它们的重整化流趋向同一个不动点,长距离的行为就由这个不动点的相关本征值决定,与那些逐渐消失的无关变量无关。于是它们有相同的临界指数。

标度律的推导。变换后自旋数减少为 1/bd1/b^d,而总自由能不变,所以每个自旋的自由能奇异部分满足

fs(t,h)=b−dfs(bytt, byhh)(20.5)f_{\mathrm s}(t,h) = b^{-d}f_{\mathrm s}(b^{y_t}t,\ b^{y_h}h) \tag{20.5}

bb 是任意的,取 b=∣t∣−1/ytb = \lvert t\rvert^{-1/y_t},得 fs=∣t∣d/ytfs(±1, h/∣t∣yh/yt)f_{\mathrm s} = \lvert t\rvert^{d/y_t}f_{\mathrm s}(\pm1,\ h/\lvert t\rvert^{y_h/y_t})——这正是维多姆形式 (19.21),其中 2−α=d/yt2 - \alpha = d/y_t,Δ=yh/yt\Delta = y_h/y_t。又由 ξ′=ξ/b\xi' = \xi/b 与 t′=byttt' = b^{y_t}t 得 ν=1/yt\nu = 1/y_t,于是 2−α=dν2 - \alpha = d\nu:超标度关系 (19.24) 被推导出来了。进一步,m=−∂fs/∂h∝∣t∣(d−yh)/ytm = -\partial f_{\mathrm s}/\partial h\propto\lvert t\rvert^{(d - y_h)/y_t},所以 β=(d−yh)/yt\beta = (d - y_h)/y_t;同理 γ=(2yh−d)/yt\gamma = (2y_h - d)/y_t,δ=yh/(d−yh)\delta = y_h/(d - y_h)。所有临界指数都由两个数 yty_t、yhy_h 决定。

§20.5威尔逊–费希尔不动点与 ε 展开

威尔逊(1971)在动量空间中对金兹堡–朗道泛函 (19.10) 实施重整化:把波矢在 Λ/b<k<Λ\Lambda/b<k<\Lambda 范围内的涨落积分掉,再把长度与场重新标度。

为什么 4 维是特殊的(量纲分析)。为避免与尺度因子 bb 混淆,这里把 (19.10) 中四次项的系数记为 uu。在临界点 a=0a = 0。把长度放大 bb 倍 r=br′\mathbf r = b\mathbf r',要求梯度项 ∫ddr g∣∇m∣2\int d^dr\,g\lvert\nabla m\rvert^2 的形式不变:它按 bd−2m2b^{d-2}m^2 变化,所以场必须按 m=b(2−d)/2m′m = b^{(2-d)/2}m' 重新标度。于是四次项 ∫ddr u m4\int d^dr\,u\,m^4 按 bd⋅b2(2−d)=b4−db^d\cdot b^{2(2-d)} = b^{4-d} 变化:

yu=4−d(20.6)y_u = 4 - d \tag{20.6}

d>4d>4 时四次项是无关的:长距离行为由 u=0u = 0 的"高斯不动点"决定,平均场指数是严格的。d<4d<4 时四次项是相关的,流向一个新的不动点(威尔逊–费希尔不动点),它的位置正比于 ε=4−d\varepsilon = 4 - d。这与金兹堡判据 (19.19) 得到的上临界维数完全一致。

结果引用

对 nn 分量的序参量,ν=12+n+24(n+8)ε+O(ε2)\nu = \frac12 + \frac{n+2}{4(n+8)}\varepsilon + O(\varepsilon^2),η=n+22(n+8)2ε2+O(ε3)\eta = \frac{n+2}{2(n+8)^2}\varepsilon^2 + O(\varepsilon^3)(威尔逊与费希尔,1972)。

对三维伊辛模型(n=1n = 1,ε=1\varepsilon = 1),一阶结果 ν≈0.583\nu\approx0.583,η≈0.019\eta\approx0.019;计算到高阶并作适当的重求和后得到 ν=0.630\nu = 0.630。2010 年代发展起来的共形自举方法给出 ν=0.629971(4)\nu = 0.629971(4),是目前最精确的结果之一。

§20.6本章小结

  1. 临界点是重整化变换的不动点;偏离不动点的相关方向决定临界指数,ν=ln⁡b/ln⁡λ\nu = \ln b/\ln\lambda。
  2. 一维伊辛模型的抽取变换是严格的,它只有 T=0T = 0 与 T=∞T = \infty 两个不动点;二维的近似变换给出有限的 TcT_{\mathrm c} 与 ν≈0.94\nu\approx0.94。
  3. 无关变量在变换中消失,这是普适性的来源;自由能的标度关系 (20.5) 推出了维多姆标度与超标度。
  4. 四次项的标度维数为 4−d4 - d:d>4d>4 时平均场严格,d<4d<4 时流向威尔逊–费希尔不动点。

自测题

  1. 验证 (20.1) 中的 A=2cosh⁡2KA = 2\sqrt{\cosh2K},并由此写出每个自旋的自由能满足的递推关系。[答:−βf(K)=12ln⁡A+12[−βf(K′)]-\beta f(K) = \frac12\ln A + \frac12[-\beta f(K')]]
  2. 数值求解 (20.3) 的不动点并计算 ν\nu。
  3. 二维伊辛模型的严格值为 yt=1y_t = 1、yh=15/8y_h = 15/8。用 §20.4 的公式求 α\alpha、β\beta、γ\gamma、δ\delta,并与表 §19.6 比较。[答:0、1/8、7/4、15]