1991年诺贝尔物理学奖

2024年3月8日发(作者：成都七中数学试卷)

1991年诺贝尔物理学奖

1991年物理学奖，授予法国的德热纳皮埃尔·德热纳（Pierre Gennes）以表彰他把研究简单系统中有序现象的方法推广到更复杂的物质态，特别是液晶和聚合物所作的贡献。

皮埃尔·吉勒·德热纳（Pierre Gilles de Gennes，1932—），出生于法国巴黎。1955年—1959年在原子能中心（Saclay）作研究工程师，主要从事中子散射和磁学方面的研究工作。随后在伯克利完成博士后并进行高级研究或工作访问。1961年被聘为奥尔塞巴黎大学固体物理学助理教授，讲授金属与合金的超导理论。1971年被聘为法兰西学院教授。自1976年起在巴黎物理和化学研究所任所长。德热纳于2007年逝世。

德热纳用数学方法描述磁偶极子、长分子或分子链是怎样在特定条件下形成有序态的，并阐明了当这些物质从有序态过渡到无序态发生了什么事情。例如，在加热磁体时，就会发生这类有序到无序的变化，磁体中的小原子磁体由原来的有顺序排列状态转变为所有小原子磁体都无规则的排列状态。而由无序到有序的转变往往发生在确定的温度下，有时也出现跳跃式的变化，这就是在临界状态下的相变，对于铁磁体来说，这个温度就是所谓的居里点。

德热纳的工作是从磁相转变研究开始的，20世纪六七十年代，他又研究了其它复杂的有序-无序现象。德热纳涉及的领域非常广泛：液晶中有序态到无序态的转变、聚合物链的几何排列和运动中的规律、微乳胶（Micro-Emulsion）稳定1

性条件等等。这些现象是非常复杂的，以至于以前的物理学家尚不认识它们从有序到无序的转变所遵循的普遍规律。德热纳在从事这些研究时，多次获得重要成果，特别是对液晶和聚合物的研究方面。

此外，德热纳还证明了，在差异如此明显的物理系统中，如磁体、超导体、液晶和聚合物溶液的相变，可以采用令人惊叹的通用数学语言来描述。

人类发现液晶已有100多年，起初并未受到广泛重视。20世纪20年代，欧颀（Oseen）提出把液晶作为连续体，研究液晶流体动力学并获得一定的成功。此后又被冷落了30年，直到20世纪60年代，因为有了液晶理论研究的相关知识和液晶在显示方面的应用需求，才引导人们重新开始液晶的研究。此外，到了那个时候，也比较容易得到便于研究液晶状态和性质的典型系统，对普遍理论进行检验。所以在当时液晶便成为材料科学的前沿，这个蓬勃发展的势头至今不减。

20世纪60年代末，德热纳在奥尔塞组建液晶研究组，其中有实验室，也有理论家。很快，这个组就在液晶领域占据了领导地位。德热纳本人对液晶知识的一个重要贡献就是解释了30年来一直未弄清楚的向列相液晶中的奇异光散射，他用复杂的方法证明了这种奇异光散射是由于取向有序中的自涨落产生的。德热纳另一个重要贡献是给出了在液晶上施加微弱交流电场时转变点产生的条件。再有，德热纳还阐述了液晶和超导体之间在行为上有重要的相似性。1974年，德热纳所著的《液晶物理学》一书现已成为液晶领域的一本标准著作。

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微乳胶或称微胶囊，用途广泛。例如，在将要采尽的石油井中，可以将水-双亲分子的混合物注入井中，形成微乳胶，将遗留在多孔的岩石中的石油“洗”出来。又如，利用微胶囊技术将药剂包在微乳胶内，口服时这层微胶囊可以直到治疗部位再将药剂“释放”出来。20世纪70年代，德热纳研究了一种溶致液晶体材料，这种材料的分子一端具有不易溶于水的碳氧尾链，一端具有易溶于水的极性基团，它是一种有广泛应用前途的材料。德热纳给出了这种材料的相变和热力学稳定性条件。这些成果对这种材料的应用起着重要的指导作用。

在聚合物的研究方面也是这样。聚合物在高技术应用上（如软接触多孔透镜、宇宙飞船的防熔化外壳以及高弹性强度材料等）有极大前途。德热纳认为在该领域内，聚合物自发有序和它的液晶相研究被人们忽略了。

聚合物是由单体（简单得多的物质形态）连成非常长的链，单体链大约长10埃，千万个类似的单体链串在一起，组成聚合物。稀溶液中的聚合物分子形成环状、缠结状或套管状。终端与终端接在一起，在三维空间随机运动地互相缠绕。以前曾有人试图用数理统计方法描述分子空间分布的各种可能性，并考虑到如下事实：在同一时间、同一地点，不能多于一条线。英国的爱德华（Edwards）在这方面作出了重要贡献，他从粒子物理学引进一种计算技术。德热纳则仍然采用宏观理论，他的重大发现在于：在聚合物排列中“无序中的有序”和磁矩系统从有序转向无序的条件之间的相似性比人们想像的要大得多。德热纳在相变的普遍物理的基础上，打3

开了一条路，通向对聚合物极其复杂的有序现象进行新的描述。奥尔塞小组不久就将这一描述扩展到浓溶液中的聚合物及高浓度的熔化了的纯聚合物。在这种浓溶液中的聚合物里各种键可以互相缠绕在一起。

关于后面两种更复杂的情况，德热纳也对聚合物链及其组成部分怎样运动作过一些预测。这些研究就是所谓的聚合物动力学。德热纳作的预测往往具有与标度无关的特点，和粒子物理学中的标度无关性定律类似。德热纳预测，只要起始变量（例如溶液中聚合物的浓度和温度）有某种组合，条件就是相似的。这些性质有时可以在实验中加以控制，用中子碰撞激发某一选定波长的振荡，观测这个振荡在一段时间里的阻尼特性，就有可能判断聚合物链的组成部分是怎样运动的。这类测量有助于验证德热纳用于说明聚合物链运动的模型。德热纳为了说明聚合物链的运动，提出过好几种模型。其中一种叫斑点（Blob）模型，如图所示。是说链的某一特殊区段可以“自由”运动，即使在很浓的溶液里，这一区段也可看成是自由的。

德热纳关于聚合物的斑点模型

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另一种模型叫蠕动（Reptation）模型，如图所示。可用于描述环绕聚合物链的“结”中聚合物链的蛇形运动。

德热纳关于聚合物的蠕动模型

1979年，德热纳发表了《聚合物理学的标度概念》（ScalingConcepts in Polmer Physics），这本书反映了他在这一领域内的工作。

由于他在极其广泛的不同物理系统里看出了有序现象的一般特性，并提出了这些系统从有序到无序的运动规律，因此，有人把“当代的牛顿”这样高度赞扬的绰号给予了德热纳。德热纳很善于处理复杂系统，他所涉及的一些系统在他之前很少有人认为有可能用普遍的物理描述加以概括。物理学家们往往以处理简单和“纯粹”的系统而自豪，但德热纳的工作却表明，即使“不简单”的物理系统也能成功地用普遍方式来描述。就这样，他开辟了物理学的新领域，并激励人们在这些新领域中做了许多理论和实验工作。这些工作不仅是纯粹研究性质的，也为液晶、聚合物之类的物质形态的技术开发奠定了扎实的基础。

这一年的物理学奖授予德热纳还有另一层意义，就是正当现代物理研究沿着物质的尺度越来越微小的微观理论方向5

发展的时候，它提醒人们，宏观理论研究仍不失其重要意义，特别是在复杂的物理系统方面。

1980年后，德热纳的兴趣又转移到界面理论研究方面，如浸润动力学。这也是一个应用性非常强的研究课题，应用在油漆、涂料、润滑剂、染料和墨水等工业技术方面。后来，他特别关注与附着力有关的物理和化学问题。

1991年，德热纳在诺贝尔奖授奖仪式上以“软物质”为演讲题目，用“软物质”一词概括复杂液体等一类物质，得到广泛认可。从此软物质这个词逐步取代美国人所说的“复杂流体”，开始推动一门跨越物理、化学、生物和材料科学三大学科的交叉学科的发展。软物质如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命体系等，在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在。它们与人们生活息息相关，如橡胶、墨水、洗涤液、饮料、乳液及药品和化妆品等等。在技术上也有广泛应用，如液晶、聚合物等。生物体基本上由软物质组成，如细胞、体液、蛋白、DNA等。在我们日常所说的“软”的概念里，主要的特征就是容易形变。在软物质这个名词里也有类似的含义。对于软物质，德热纳给出一个重要的特征：弱力引起大变化。在他的科普作品《软物质与硬科学》一书中以橡胶为例，说明了软物质的性质。放进一点硫，液态的橡胶树就变成了固态的橡胶。同样，一点骨胶可以使墨汁多年不变质、一点卤汁使豆浆变成豆腐、非常微弱的电流就能使液晶从透明变成不透明。这些现象告诉我们：你只须施加微小的作用，软物质的形状和性质就会大变。纯天然的橡胶乳液氧化形成了固化的橡胶，但这种橡胶非常不结实，6

很容易就会因为空气的继续氧化而破碎。而将天然橡胶硫化之后就变得非常的耐用，不容易破碎。

有人给软物质物理的定义是没有量子力学的凝态物理,

这样定义当然包含很广的领域, 我们常引的定义是系统的能量范围是几 kBT（热动能, 室温300K 时约为 0.025eV）。一般而言这个领域研究的系统有胶体粒子、高分子、表面活性剂等，这些系统的特征就是它们是所谓的中观尺度——比小分子如水（约0.3 nm）还大，而比装的容器还小：从几纳米（nm）到微米（μm）尺度。这些系统有个惊人的特性, 就是能自组装（Self-assemble）成更复杂的结构。而很多自组装的相变化是普遍的, 与组成分子的化学结构无关。因此物理学家注意到这些系统, 企图了解里面的机制。

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