《统计力学》第三版译者序言

方锦清

本书第一版中译本曾于1985和1986年由中国高等教育出版社分上、下册出版，译者湛垦华和方锦清是根据本书作者R. K. Pathria1977年的《统计力学》修订本翻译的。迄今为止，本书在我国高等教育中已经沿用三十多年了，它在我国统计力学教学和科研中已经发挥了良好的作用，产生了比较广泛的影响。但是，随着现代科学技术的突飞猛进，从20世纪80年代开始，特别是1985年以后，国际上统计力学相关的许多课题发生了巨大变化，并取得了重要进展。为了反映这些最新的科研成果，作者于1996年修订出版了《统计力学》第二版。2009年作者Pathria又邀请Paul D. Beale作为共同作者，对于原书进行了大量的补充完善工作，这次中译本就是根据2011年他俩合作出版的最新《统计力学》英文第三版重新翻译出版的。由于中译本的原来译者之一湛垦华先生已经辞世多年，本人作为合作译者，经与高等教育出版社商定，大胆聘用时为博士生的戴越参加《统计力学》英文第三版合作翻译工作。我们经过两年多的努力，于2014年已合作完成这本新版《统计力学》的中译本，可惜鉴于出版社编辑繁忙等缘故，才拖延到了2017年，终于要与广大读者见面了。

      统计力学的理论和方法，博大精深，普适性大，应用广泛。国内外对于统计物理知识的需求一直非常迫切，任何新的成果进展都备受国内外各个领域的高度重视和普遍关注，并不断推动着新兴科学的诞生和发展。本书按照量子力学的精神来论述系统的宏观描述与微观描述之间的物理联系。因此，贯穿全书有两个主要论点：用一组量子态来表征一个物理系统的动力学特性；由这些量子态的多重性来确定物理系统的热力学之特性。书中详尽地论述了物理系统的平衡态理论，对量子统计学的一些最新应用也作了深入浅出的介绍，其中包括了著者自己的贡献。

      本书第三版增加的最重要课题之一是，玻色-爱因斯坦凝聚现象及其理论方法。20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦早在20世纪20年代就提出玻色-爱因斯坦凝聚（BEC)现象的科学预言，但是由于实验上技术限制迟迟难以实现。正是“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”，1997年美籍华人物理学家朱棣文因“发明了用激光冷却和俘获原子的方法”荣获诺贝尔物理学奖。令人可喜的是，正是激光冷却与囚禁中性原子的技术迅速发展才为BEC的研究提供了及其优越的现代实验技术，终于在1995年从实验上观察实现了气相原子的BEC现象。美国科罗拉多大学实验天体物理联合研究所(JILA)和国家标准技术研究所(NIST)的威曼（Wieman）小组于1995年7月首先报道了在实验上观察到的Rb87原子的BEC现象；同年８月，美国莱斯大学（Rice University）的布拉德利（Bradley） 小组报道了Li7原子的BEC的观察结果；11月，美国麻省理工学院（MIT） 的戴维斯（Davis） 等人又报道了Na23原子的BEC的实验结果．这三个实验宣告了在超冷气体实验实现了BEC。一石激起千层浪，在全世界物理界引起了强烈反响，成为国际研究玻色-爱因斯坦凝聚的一个重要里程碑而载入物理学史册。

     尔后，21世纪初又在简并费米气体中实现了BEC，这些突破性进展导致了不少学科，诸如原子物理、分子物理、光学和复杂网络等出现了革命变化，也为人们理解复杂系统，尤其是凝聚态系统的量子行为和复杂性提供了一条宝贵途径和有力的理论武器。现在已经建立了一套解析理论来研究有限系统中玻色-爱因斯坦凝聚的行为(如玻色-爱因斯坦凝聚的有限尺度行为)。

     令人感兴趣和值得关注的是，在《统计力学》第三版里，首先增加的新内容就是“在超冷原子气体中玻色-爱因斯坦凝聚和简并费米气体行为”。作为新兴交叉科学的一个典型，20世纪与21世纪之交，复杂网络的研究取得了突破性进展,其中统计力学方法就是一个重要的有力武器。其突出表现在1999年物理学家艾伯特-拉斯洛·巴拉巴西（A. L. Barabasi）和他的博士生阿尔伯特（R. Albert）合作，他们正是利用统计物理方法发现了现实世界复杂网络系统中普遍存在的无标度网络及其无标度特性。而在1998年，博士生瓦茨（Watts）与他的导师史蒂文·斯托罗加茨（Strogatz）发现了小世界网络。上述两大发现标志着一门崭新的广泛的交叉科学——现代网络科学诞生了，十几年来，它正以迅猛之势在国内外继续深入发展，其应用前景非常广阔。

     更令人惊奇的是，21世纪初，在一些真实世界的复杂网络动态演化中居然发现了类似的玻色-爱因斯坦凝聚现象。与宏观网络不同，量子网络系统的基本特征是其节点可是粒子能级或可观粒子组成，它们从物理上反映微观粒子的动力学和拓扑性质的演化。例如，量子玻色（Bose）网络，尽管它可能是非平衡的或不可逆的，值得注意的是网络的演化可映射为玻色气体的变化，特点是：网络节点对应于能级，其连接线表示粒子。这时一个节点吸引了大量的连接线（反映能级大小），其演化成类似于一种星形网络结果，即导致了类似于玻色－爱因斯坦凝聚现象。其中，具有重要价值的复杂网络适应性模型能够和玻色气体之间建立精确的数理对应关系。这意味着适应性网络和玻色气体在其物理行为的原理上是相同的。这里网络的“适应性”大小取代了BEC中的能量大小，网络中的每个节点分别对应玻色气体中的一个能级。复杂网络和巨大的量子气团相似，其中的链接行为类似于亚原子粒子。这种对应关系带来的最重要结果是，某些实际网络会出现BEC现象。最值得庆幸的是，正是因为发现复杂网络中的玻色-爱因斯坦凝聚现象，因此，复杂网络的一些特性及其带来的效应将微观和宏观世界有机地联系在一起，从而将网络科学研究从过去长期由数学中图论占主导地位一下子推进到了物理学的怀抱，现代统计力学已经名副其实成为网络科学的两大理论支柱之一，显示了现代统计力学方法的魅力和惊奇所在。

     2002年无标度网络的发现者A·L·巴拉巴西和R·阿尔伯特在美国顶级刊物《现代物理评论》发表了长篇评述：“复杂网络的统计力学”（Statisticalmechanics of complex networks. Rev. Mod. Phys., 2002, 74, 47-98.），系统评价了统计力学理论方法及其在复杂网络中的应用。2011年在本人与毕桥的合著《网络科学与统计物理方法》（北京大学出版社）中，系统总结了主持负责的国家自然科学第一个网络科学重点基金项目等课题研究中取得的成果和经验，阐明了统计力学对网络科学研究的关键作用、具体表现和重要贡献。毫无疑问，迄今统计力学方法与数学图论同等并列为网络科学的最重要两大理论基石。毫不夸张地说，物理学家与各个不同领域学者在这个最大跨学科——现代网络科学及其应用研究中，已经发挥了并必将继续发挥着举足轻重的促进作用。

另一个值得注意的是，《统计力学》第三版特别增加了三章新内容，系统全面地论述了复杂系统里的一个关键课题：相变理论。分别总结了：临界性、普适性和标度性（第12章）；各种模型的严格结果（第13章）和重正化群方法（第14章）。第15章涨落与非平衡统计力学，比原来新增一节涨落-耗散定理，突出了非平衡统计力学问题，当然对这个令人关注的课题还有待深入发展。另外，第三版还增加了二章，涉及早期宇宙的热力学和计算机模拟（方法），以及各章补充了习题和附录等，这样使得第三版《统计力学》内容更加丰富，课题更加先进，方法更为完善。因此，我愿意把该书推荐给我国高校和科研院所的广大读者，希望有利于大家在学习和借鉴的基础上，举一反三，开拓创新，推动我国科学教育事业的进一步繁荣和发展。

      这个新译本传承第一版本精神，全书由本人负责组织翻译，大体分工如下：由本人主要承担第1-8章、第10章、第15章、附录A-E；由戴越承担第9章、第11-14章、第16章、附录F-I、序言和索引。我们在此非常感谢：第一版翻译时由江仁寿教授生前的推荐和湛垦华教授的合作，以及钟金城、徐锡申等编校工作。本次第三版新老内容再次认真全部核实和全新译出。戴越对英文版勘误进行了校订。新版编辑过程中所遇到的不明之处，由编辑王超统一请教了如下教授：中科院半导体研究所姬扬、四川大学吴大诚、南京大学物理学院鞠国兴等，他们对本书翻译的宝贵意见和建议；为了确保习题的翻译准确无歧义，出版社还在 “朗道集结号读者QQ群”中请部分读者阅读新增习题的译文。在此，译者向所有对新译本做出贡献的人士致以衷心的谢意。最后，我们要感谢高等教育出版社自然科学学术著作分社的本书责任编辑王超博士，他的耐心、细致和尽责的辛勤工作，确保完成本书的出版任务。

      限于译者的专业水平、语言水平和沟通不够，译文中难免会有不少错误和不当之处，恳请广大读者发现后予以批评指正。读者可通过本书的微信、微博、读者QQ群（详见封底，群号：373454863）进行反馈，我们也将通过这些渠道发布本书的勘误。

                                                                     方锦清研究员                                                                                2014年11月24日初稿                                                                                             2017年5月12日修改                                                                                             于中国原子能科学研究院