统计物理学与经济

第一篇：统计物理学与经济

统计物理学与经济、金融、网络、信息等科学的交叉发展

经济物理学与信息物理学

1、研究领域界定、背景与特点

近十年来，统计物理学，尤其是开放系统、系统或者子系统随时间的演化，以及子系统之间的关联效应等方面的基本原理和最新成果，已经与经济、金融、网络和信息等科学的交叉结合，并发展成为复杂系统中的一个重要的前沿研究领域，逐步形成一个所谓的经济与金融物理学和网络与信息物理学。

许多系统像网络、生物、信息技术、商业或者金融领域会不断显示一些“小世界（群体）”行为，这些行为难以在惯用的理论框架下得到正确的解释和理解。这些系统常常具有以下特性：无法直接预测、可以有效操作、表面上具有无规或随机性、具有一定程度上的可恢复性，而且这些特性的出现通常是经过一种自组织过程，具有一定的标度不变特性。这种自组织过程可以是一种演化、自然选择（例如生物系统）或者调节性的循环过程（例如工程和技术方面）。从传统上观念来看，科学和工程两个层面在概念上缺少一个能理解、控制甚至能够人为地导致自组织过程的框架。但是，近年来，无论在自然科学或者自然现象中，包括物理、生物和海洋等，还是在工程控制与制造方面，包括微型芯片、化学过程以及人类对自然界的人为干预等，虽然种种问题和现象表现出纷繁复杂，但随着研究手段以及与统计物理学相关领域的重要进展，科学和工程从传统上的分离逐步走向结合。

从重大基础研究角度来看，人们在运用数学、统计力学和理论物理的近年来最新研究成果，在处理开放系统、系统或者子系统随时间的演化，以及子系统之间的关联效应等方面已经衍生出一系列基本的科学问题。

这里我们所要介绍地经济与金融物理和网络与信息物理是两个较为典型的交叉学科前沿领域，已经取得一定的进展和成功。经济与金融物理实际上已经有了多年的历史，并为经济学家在从事微观、宏观经济领域的研究和为金融行业的发展带来了实际帮助。值得一提是，由Challet和张翼成（瑞士福来堡大学物理系华人教授）在1997年提出的“少数者博弈论”再次在金融与经济引起广泛关注。目前，一个金融物理学界已经形成。近年来，随着互联网的迅速发展，物理学家也在考虑将统计物理学的一些原理用来衡量和提高网络中信息的传输。

2、交叉的重要性

目前，学科之间的交叉发展的主要动力在于：一方面，某些（如物理）基础学科的自身发展已经到达一种相当的程度，另一方面，其它学科（如生物、信息和金融等）的发展受到一定的限制，对基础学科的研究成果有相当的需求。这些学科之间本质上存在着许多相通之处，但从工具与手段甚至表示方面来看，一些内在联系尚未能简单地建立起来。

但是，在这些年来，交叉学科研究领域的迅速发展，一方面是由于当今科学研究水平和现代研究手段的快速提高，另一方面,也是自然科学、工程技术和人类社会的综合发展过程中出现的必然结果。科学家们希望借助各个学科之间的交叉与渗透，寻求有关复杂系统在微观上的自适应性、在宏观上的整体特性、以及宏观态的演化和宏观态间的转化等方面的一般性原理和相关机理。从而，复杂系统的研究不仅成为现代社会和高技术发展的需求，成为基础科学在现阶段的一个重要前沿研究方向，而且，通过逐步解决复杂系统研究领域中的一些疑难问题,来进一步促进社会学科的发展和学科交叉地不断深入。

经济与金融领域是一种开放、自组织系统，其复杂性涉及内在的不确定性、投机性、信息交换与不对称性，以及参与者的学习能力等特征，常常处于非平衡，有时甚至处于极端不平衡，人们需要关心部分或者整个随时间的演化各种特征，以及它们如何从不平衡向平衡过渡。金融物理就是应用统计物理学原理和及其最新研究成果来定量和有效地描述经济与金融领域中金融产品随时间演化，以及子系统间的相互关联对时间演化的影响等。不难想象这方

面的研究涉及统计力学、理论物理与金融数学之间的理论交叉，而这方面研究成果不仅仅能推动物理学的发展，更重要的是能对经济与金融在降低决策风险和提高效率等方面产生实质性的帮助，这在网络与信息非常发达的今天尤为重要。

网络与信息物理可以看作经济物理学的一个重要分支，正在受到物理学家的关注。但它需要更加广泛的学科与合作，因为这涉及计算科学、互联网络、社会科学、信息计算和风险投资等多学科领域，它试图在互联网络的物理结构基础上分析信息内容。物理学家正在探索如何平衡普通用户在系统地选择和搜寻相关信息取得优质产品或者服务中的判断和评价能力。网络与信息物理就是如何用统计物理的原理或者方法有效地描述网络系统内在结构的演化，信息的有效传输不仅会对扩展我们对自然科学的理解和发展新的研究工具非常必要，也会对社会科学领域（WorldWideWeb、计算机病毒、传染病的爆发和控制，交通网络等）有现实意义和经济价值。

3、国内外现状与趋势介绍

3．1国际上的研究状况

在过去的十年里，国际上经济物理的研究一直在开展，主要集中在美国和欧洲的一些研究所和大学，甚至一些以经济预测为主的公司。例如，美国圣菲研究所有专家专门从这方面的研究；法国有一个研究组在这方面较为成功，被法国CAC公司收购等。在“少数者博弈论”被提出来后，引起了物理学界和经济学界的广泛关注，这是能够较为合理地描述资产经济市场动力学特性的一个最简单模型，从而经济物理学（Econophysics）应运而生。目前，大约有100多人从事经济物理学方面的研究。自从1999年夏，欧洲物理学会开始举办物理在金融中的应用的物理学年度会议。目前，PhysicaA和Econophysics刊登这方面的最新研究成果的两个专业期刊。这几年，至少有十本有关Econophysics的专著，每年都有几个有关Econophysics的学术研讨会。

而且，物理学家还会为经济和金融界带来的是他们在统计物理方面数十年来积累起来的处理复杂系统的直觉和一些非常有用的工具，如MonteCarlo模拟、路径积分方法、最大熵方法和随机矩阵理论等。经济物理学将试图建立或修正一些经济模型，结合上述有效物理学工具的使用，来优化金融市场的投资组合，分散或降低各种金融投资的风险，帮助建立一个可靠的风险管理的决策支持体系。

相对与经济与金融物理，网络与信息物理发展相对较晚，大约才有五年的历史，但人员数目在不断增加。

3．2我国研究的特点

在我国，过去的十年里，也一直有一些人员队伍在跟踪或者从事经济物理的研究，例如，中国科技大学物理系非线性中心，北京师范大学管理学院系统科学系，浙江大学物理系、中科院数学与系统科学院，以及北京航天航空大学物理系等。在网络物理研究方面，国内有少数人开始转入从实际这方面的研究。

值得一提的是，中国人民大学刚刚成立的物理系，结合人大自身文科特点，为加强学科交叉专门成立了一个复杂系统研究团队，并邀请张翼成教授为该团队学术带头人（今年正在为其申请长江讲座教授），此外还聘请了香港浸会大学物理系统计物理专家汤雷翰教授（作为学校讲座教授）、聘请了B.Meister博士（DPFM, London ,Porfolio Manager & Researcher）为物理系副教授等从事经济与金融物理，和网络与信息物理的方面研究工作。

在今年12月26－29日期间，由北师大系统科学系与中国人民大学物理系等将在CCAST联合举行信息网络研究论坛——社会网络、互联网与物理学，旨在加强这些方面的交流与合作，该论坛将汇聚70名来自海内外的华人学者与专家。

3．3发展前景展望

在世界范围内，许多物理系都正在设立经济与金融物理学博士学位，在欧洲的一些物理

系教授已经专门开设经济与金融物理课程，中国人民大学物理系也设立了经济物理基础和金融风险理论课程。

国家咨询公司：McKinsey最近专门设立了一个年度研究奖：社会物理和经济物理青年研究奖。

最近，美国著名期刊《今日物理》最近（September2005）专门刊登了J.Doyne Farmer（Research Professoron Financial economics, SantaFeInst.）,M.Shubik(The Seymour Knox Institute Professor of mathematical institute for economics at Yale university), and Eric Smith（Research Professor onself－organization ,Santa FeInst.）合写的一篇题为“经济学是下一个物理学研究领域吗?”他们指出：经济学是建立在物理学中的几个主要思想的基础上。他们预期在今后的几年里，一些物理系和经济系将会提供一个课程设置来讲授经济学和物理学的基础知识,努力促进学科交叉；物理学家将会在从宏观经济学至微观经济学的不同层面继续对经济学做出他们的贡献，并且这些贡献也将会对经济政策的制定产生影响。

4、新的科学问题

无论是金融物理，还是网络物理，其基础性的科学问题是围绕着如何有效地表述一个开放系统，正确地处理子系统之间关联效应，较准确地确定系统或者子系统随时间的演化。我们相信这不仅涉及物理学中有关能量传输，也必然要考虑到如何处理信息的度量与传输。

从统计力学与理论物理和经济与金融领域交叉角度来看，有以下几个相关的基本问题：

(1)对经济与金融系统中“小世界”的描述：经济与金融系中所出现的报酬递增现象和非理性预期现象。报酬递增放大了系统演化过程中各种小的随机事件的累积作用效果，系统的演化与历史路径相关,实际达到的结果是不可预测的。传统的金融市场理论假设理性预期——市场参与者采取统一的预测模型并且认为模型在平均意义下是有效的，但是在实际中,理性预期存在着较严重的缺陷(例如Arthur的EIFarlo酒吧模型)。除此之外，羊群效应、群体心理、有限理性等多种因素也都是经济与金融系统中“小世界”的具体表现。

(2)对经济与金融系统中的“自组织”性：金融系统是由众多子系统组成的，每个子系统都有自身的“策略”。不同子系统都会根据其它子系统的“策略”来决策。这些说明子系统之间相互关联或者某种相互作用,每一个单元的变化都会受到其他单元的影响,并会引起其他单元的改变。金融系统的演化发展历史,是那些子系统相互作用的结果。这种相互作用一定意义上是一种自旋玻璃系统中所谓的“失错”现象。

(3)对经济与金融系统的非均衡性描述:均衡的存在,是经典经济学的一个重要假设。但是递增回报效应、路径依存、经济泡沫、市场崩溃等现象表明,这种均衡的假设存在着严重的缺陷。金融系统在实际演化过程中，均衡是相对而且短暂的，而绝大多数情况下,都是处于非均衡状态，这实质上是一种较为复杂的输运行为。

(4)对经济与金融系统的非线性行为描述：由于经济和金融系统常常是一个开放、随时间演化的体系，微小的局部扰动完全有可能导致整体的巨大变动,这是因为市场的其它局部大多会以非线性方式来响应其外部的作用。金融系统不同于一般的物理系统，用非线性动力学、分形、混沌等非线性动力学方法来研究金融系统尚有许多基本问题需要解决。

(5)对经济与金融系统的危机模拟与预测:经济与金融系统是一个复杂性系统，某些经济行为，如地区发展和产业结构上差异对整个体系演化的具有积累效应，如何预警与防范金融泡沫和金融危机？这其中有些机理性的问题有待解决。

从统计力学和理论物理现有研究成果的应用角度来看，有以下几个方面的探索需要继续进行:

(1)经济与金融系统中普适行为的研究：经济与金融系统包含着大量的数据，物理学家可以通过一些必要的假设和进行深入分析，可能提供一些.普遍深入的规律。

(2)BPS模型的研究与推广：该模型简单地假设交易员仅仅根据最新一次市场上最新一

次交易地价格随机地决定买卖。这是由物理学家PerBak，MayaPaczuski和经济学MartinShubik根据统计力学原理共同提出的。这是一个描述金融市场价格形成的一个理想化模型，需要进一步深入研究和推广。

(3)“少数者博弈论”模型的研究、推广和应用：该模型提出以来，虽然受到广泛的关注和研究，但至今对S&P预测率只达50％。目前，人们开始对该模型进行推广，考虑作用者的多样性等，以便更好地反映金融市场的动态行为。

(4)各种“自旋玻璃”的研究：“自旋玻璃”是一种非常有用的统计物理系统，这样系统的许多特性可以运用到计算复杂性、自纠错通讯编码、随机图论、博奕论、随机规划、聚合物的多标度模拟等领域的研究。当前，“自旋玻璃”理论本身的发展还存在巨大的挑战，特别具有内部结构的“自旋玻璃”系统性质的研究。

5、我国应关注的重要研究方向

（1）统计模型，尤其是各种“自旋玻璃”系统的研究；

（2）相关经济模型，如“少数者博弈论”，BPS模型，EIFarlo酒吧模型；

（3）自组织问题的研究；

（4）市场行为的模拟与标度行为的研究；

（5）最大熵原理的运用。

6、存在的主要问题与分析

目前，根据我们所掌握的信息（不一定完整），我国在经济与金融物理学和网络与信息物理学方面的研究主要有是方面的问题：

（1）对国外的前沿研究缺少交流，并且以跟踪为主；

（2）队伍比较分散，缺少明确的整体研究对象；

（3）除了像中科院数学与系统科学研究院，这方面的研究以探索性为主，与我国经济领域的实际问题结合较少，从而也就缺少明确的资助。

（4）从科学问题的基础性研究角度来看，需要建立一个专业性的队伍。

7、对策和建议

希望基金委、科学院和科技部等有关部门，能够召集相关研究人员，调研国外的研究现状和具体做法（平台方面），评估研究水准和研究方向，并设立一定的科研项目，有针对性的资助。

Monte Carlo

蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数”的计算方法。这一方法源于美国在第二次世界大战进研制原子弹的“曼哈顿计划”。该计划的主持人之

一、数学家冯·诺伊曼用驰名世界的赌城-摩纳哥的Monte Carlo-来命名这种方法，为它蒙上了一层神秘色彩。

Monte Carlo方法的基本思想很早以前就被人们所发现和利用。早在17世纪，人们就知道用事件发生的“频率”来决定事件的“概率”。19世纪人们用投针试验的方法来决定圆周率π。本世纪40年代电子计算机的出现，特别是近年来高速电子计算机的出现，使得用数学方法在计算机上大量、快速地模拟这样的试验成为可能。

考虑平面上的一个边长为1的正方形及其内部的一个形状不规则的“图形”，如何求出这个“图形”的面积呢？Monte Carlo方法是这样一种“随机化”的方法：向该正方形“随机地”投掷N个点,其中有M个点落于“图形”内，则该“图形”的面积近似为M/N。

可用民意测验来作一个不严格的比喻。民意测验的人不是征询每一个登记选民的意见，而是通过对选民进行小规模的抽样调查来确定可能的优胜者。其基本思想是一样的。

科技计算中的问题比这要复杂得多。比如金融衍生产品（期权、期货、掉期等）的定价及交易风险估算，问题的维数（即变量的个数）可能高达数百甚至数千。对这类问题，难度随维数的增加呈指数增长，这就是所谓的“维数的灾难”(Course Dimensionality)，传统的数值方法难以对付（即使使用速度最快的计算机）。Monte Carlo方法能很好地用来对付维数的灾难，因为该方法的计算复杂性不再依赖于维数。以前那些本来是无法计算的问题现在也能够计算量。为提高方法的效率，科学家们提出了许多所谓的“方差缩减”技巧。

另一类形式与Monte Carlo方法相似，但理论基础不同的方法-“拟蒙特卡罗方法”(Quasi-Monte Carlo方法)-近年来也获得迅速发展。我国数学家华罗庚、王元提出的“华-王”方法即是其中的一例。这种方法的基本思想是"用确定性的超均匀分布序列(数学上称为Low Discrepancy Sequences)代替Monte Carlo方法中的随机数序列。对某些问题该方法的实际速度一般可比Monte Carlo方法提出高数百倍，并可计算精确度。

第二篇：统计物理学

统计物理学/力学

1、书名：平衡态和非平衡态统计热力学

书名(英文)： Equilibrium and Non-Equilibrium Statistical Thermodynamics作/译者： M.L.Bellac

定价： 89.00

现价： 89.00

ISBN： 978-7-5062-8301-4

本书是一部优秀的研究生教材。作者从宏观（热力学）和微观（统计力学）两方面阐述了现代平衡态和非平衡态统计热力学中的基本问题，内容自成体系。本书前半部分介绍平衡态热力学和统计力学，除传统的论题外，还详细讨论了对称性破缺、临界现象和重整化群，介绍了相关的数值方法。后半部分则集中讨论非平衡态现象，首先以流体力学为例讲述一般的宏观处理方法，然后通过分析玻尔兹曼-洛仑兹模型和玻尔兹曼方程讨论非平衡态动力学理论，此外，还简介了非平衡态统计力学中的某些论题，如线性响应理论、投影理论、朗之万和福克-普朗克方程、以及相应的数

2、书名： 统计力学 第2版

书名(英文)： Statistical Mechanics 2nd ed.作/译者： R.K.Pathria

定价： 79.00

现价： 79.00

ISBN： 978-7-5062-6017-6

这是一本研究生水平的统计力学经典教材。是以作者多年来在几所大学为研究生授课的讲义为蓝本而写成的。本书初版于1972年，其内容涵盖了统计力学的标准内容，叙述清晰详细，深受读者欢迎。第2版对第1版的内容作了补充和删改，重写了关于相变理论的部分，增加了临界现象的重正化群理论的内容，并在每章末增加了注释。本书每章末都附有习题。目次：1.热力学的统计基础；2.系综理论纲要；3.正则系综；4.巨正则系综；5.量子统计；6.简单气体的理论；7.理想玻色系统；8.理想费米系统；9.互作用系的统计力学：集团展开方法；103、书名：平衡态统计物理学 第3版

书名(英文)： Equilibrium Statistical Physics 3rd ed.作/译者： Michael Plischke, Birger Bergersen

定价： 79.00

现价： 79.00

ISBN： 978-7-5100-2400-9

本书是一部介绍统计物理学的教程，这是第3版，其第1版分别于1994，1999年出版。与第2版相比，书中的内容有了极大的扩展，其中强作用凝聚态系统部分讲述的十分详细，增加了全新的一章讲述随机过程，Fokker-planck 方程的应用。相变的现代理论在书中占据了较为核心的地位。重正化群的章节做了很大的改动，包括了基本概念和大量计算的例子。书中引进了计算机模拟计算的基本工具，蒙特卡洛模拟和分子动力学，也增加了一部分讲述布朗动力学。每章末附有大量的问题。

4、书名： 统计力学 第2版

书名(英文)： Statistical Mechanics made Simple 2nd ed.作/译者： Daniel C.Mattis，Robert H.Swendsen

定价： 49.00

现价： 49.00

ISBN： 978-7-5100-4280-5

本书是第二版，在第一版的基础上做了大量的扩展和改进，广受好评。对统计概念的原始讲述，使得本书对理论物理的发展产生了深刻的影响，并且为现代热动力学观点的形成奠定了基础。书中通过经典例子解释理想牛顿物理定律和量子物理在噪音和热波动现实世界中应用的原理和简单逻辑。在新版中增加了相变多体理论的重要应用，将更好地为现代学生服务；同时也为老师的教学提供了更广泛的话题，如，从热动力学和随机矩阵到热动力格林函数和临界现象，从声音在固体和流体中传播到量子流和变换矩阵中的准粒子本质。目次：统计和概率的基本概念；Ising模型和晶格气；热动力学基础；统计力学；玻色子世界；有关费米子：金属理论、超导体和半导体；运动理论；变换矩阵；蒙特卡洛模拟和其他计算机模拟方法；临界现象和重正化群；量子场论在统计物理中的一些应用。读者对象：数学、力学、物理专业的学生、老师以及广大的科研人员。

5、书名： 统计力学 第2版

书名(英文)： Statistical Mechanics 2nd ed.作/译者： G.Morandi

定价： 82.00

现价： 82.00

ISBN： 7-5062-6621-

6、书名： 统计物理学 第1卷

书名(英文)： Statistical Physics 1 2nd ed.作/译者： Toda

定价： 40.00

现价： 40.00

ISBN： 7-5062-3395-9

书名： 统计物理学 第2卷

书名(英文)： Statistical Physics 2 2nd ed.作/译者： Kubo

定价： 44.00

现价： 44.00

ISBN： 7-5062-3396-77、书名： 统计物理学:平衡态、动力学与重正化

书名(英文)： Statistical Physics:Statics, Dynamics and Renormalization作/译者： L.P.Kadanoff

定价： 96.00

现价： 96.00

ISBN： 7-5062-5937-08、书名： 统计物理学方法

书名(英文)： Methods of Statistical Physics

作/译者： T.Tanaka

定价： 78.00

现价： 78.00

ISBN： 7-5062-6012-3

本书主要介绍计算相互作用多粒子系统关联函数的各种方法,特别着重介绍了由R.Kikuchi, T.Morita 和作者本人所发展的变分集团展开方法。书中用三分之二的篇幅介绍了这一方法及其应用。为使全书内容完整，便于阅读，书中前几章还介绍了热力学和统计系综理论的基本知识，给出了量子力学及二次量子化表述的要点。本书每章末附有习题，书后有参考文献。目次：⑴热力学定律；⑵热力学关系；⑶系综理论；⑷系统的哈密顿量；⑸密度矩阵；⑹集团变分法；⑺关联函数的无穷级数表示；⑻扩展的平均场近似；⑼严格的伊辛点阵恒等式；⑽短程

9、书名： 热物理学

书名(英文)： Thermal Physics

作/译者： Ralph Baierlein

定价： 69.00

现价： 69.00

ISBN： 978-7-5100-2402-3

本书是一部介绍热物理学的入门教程。作者是一名很有经验的教师，书中全面讲述热动力学，统计力学和运动力学三个方面，前四章复习和加强基础知识的学习，知识体系从简单到抽象，熵理论的引入比较早，每个新概念的引入都是跟核心理论-熵和热动力学第二定律、典型概率分布、配分函数和化学势联系在一起。书中也包括了最新研究成果，如Bose-Einstein凝聚和临界现象，分子结构知识弹性较大，可以有选择性的学习。每章都对主要观点和关键方程重点讲述，并且每章都有难易不同的问题。

11、书名： 相变动力学

书名(英文)： Phase Transition Dynamics

作/译者： A.Onuki

定价： 125.00

现价： 125.00

ISBN： 7-5062-5939-7

相变动力学是统计物理和凝聚态物理的一个重要分支，具有重要的基础意义与应用价值。本书是一本系统介绍相变动力学的专著，其内容涉及物理、化学、冶金及高分子科学中的许多问题，介绍了临界动力学，相有序化，缺陷动力学，成核动力学，斑图动力学，超临界流体动力学，临界点附近的沸腾，固体结构相变中的介观动力学等问题，对Ginzburg-Landau理论及重正化群理论也作了系统的介绍，并系统地应用。目次：(一)平衡态：自旋系统与流体；临界现象与标度；平均场理论；平衡态相变的近代理论。(二)动力学模型及流体与高分子中的动力学

12、书名： 统计物理学中的蒙特卡罗模拟入门

书名(英文)： A Guide to Monte Carlo Simulations in Statistical Physics

作/译者： D.P.Landau

定价： 89.00

现价： 89.00

ISBN： 7-5062-6571-0

书名： 统计物理学中的蒙特卡罗方法

书名(英文)： A Guide to Monte Carlo Simulations in Statistical Physics 2nd ed.作/译者： David P.Landau

定价： 79.00

现价： 79.00

ISBN： 978-7-5062-9210-8

本书详述了在凝聚态物理学、统计力学及相关领域中遇到的复物理系统蒙特卡罗模拟的各个方面，书中各章有应用实例、例题、思考题和习题，以便于读者深刻理解书中所述内容。本书可作为物理学中的计算模拟研究生教科书。读者对象：物理学和物理化学专业的研究生及研究人员。目次：导论；基础理论；简单抽样蒙特卡罗方法；重要抽样蒙特卡罗方法；格点系统用的重要抽样蒙特卡罗方法；偏格点模型；重权（reweighting）方法；量子蒙特卡罗方法；蒙特卡罗重正化群方法；非平衡不可逆过程；点规模型简介；其它计算机模拟方法综述；物

13、书名： 统计动力学

书名(英文)： Statistical Dynamics

作/译者： Balescu

定价： 39.00

现价： 39.00

ISBN： 7-5062-4721-614、书名： 统计物理学中的定标和重正化

书名(英文)： Scaling & Renormalization in Statistical Physics

作/译者： Cardy

定价： 39.00

现价： 39.00

ISBN： 7-5062-3822-515、书名： 分数统计与量子理论

书名(英文)： Fractional Statistics and Quantum Theory

作/译者： Khare

定价： 38.00

现价： 38.00

ISBN： 7-5062-4719-4

书名： 热动力学

书名(英文)： The Dynamics of Heat

作/译者： Fuchs

定价： 110.00

现价： 110.00

ISBN： 7-5062-1462-8

第三篇：热力学与统计物理学教学大纲

《热力学与统计物理学》教学大纲

Thermodynamics and Statistical Mechanics

课程编号：适用专业：物理学（本科）

学时数：64学分数：4执笔者：郑燕

一、课程性质和目的1、课程的性质：

热力学与统计物理学是物理学专业一门理论必修主干课。

2、课程的目的：

本课程的目的在于针对热运动的特点，建立一套热力学和统计物理的基本知识和思想方法，从而为研究热运动的规律、与热运动有关的物性及宏观物质系统的演化打下基础，为进一步学习固体物理、天体物理等学科作好准备。

二、课程的基本要求

（1）首先必须使学生建立概率论方法的观念。热力学统计物理研究由大量微观粒子或准粒子组成的，具有大量随机变化自由度的宏观系统。由于系统的自由度数目非常大和自由度的随机性，即使我们彻底地掌握了单个粒子的运动规律和粒子间相互作用的规律，也不可能写出全部运动方程，更无法准确知道并利用全部初始条件求解运动方程。必须明确的是，不能用纯粹力学方法研究有大量随机自由度的宏观系统，不仅是由于技术上的困难，更重要的是，由于大量随机自由度的存在，导致性质上出现全新的规律。因此研究这类系统的方法必须有本质上的改变，即由确定论的方法改变为概率论的方法。

（2）掌握热力学的基本规律和统计物理的基本理论，理解系统的各种平衡条件和正则分布，了解系统的相变理论，非平衡态统计和涨落理论。会用来解决一些基本的和专业有关的热运动方面的问题。

（3）使学生掌握科学的学习方法，真正达到从学会到会学。可采用从“渗透式”逐步推广到“体会式”的教学法，培养学生有较强的独立思考能力和创造能力，较快进入科学发展的前沿，养成辩证唯物主义的世界观和方法论。

三、课程教学基本内容及各章的基本要求

按照课程建设的总体要求，本着“先进、有效、有用”的原则，按照删、并、减、增、留的“五字方针”对物理学专业的重要基础理论主干课程《热力学与统计物理学》进行认真清理与重构，在此基础上编写出本教学大纲。讲授内容和学时分配如下。

第零章绪论（1学时）

基本要求

（1）热力学与统计物理学的研究对象、研究方法及发展的前沿动态；

（2）学习热力学与统计物理学的意义、目标、方法。

第一章热力学的基本定律（12学时）

1、基本要求

本章是热力学与统计物理学的基础，以热力学第一定律、热力学第二定律和热力学基本方程为重点讲授内容；将热力学系统的平衡态及其描述、平衡定律和温度、物态方程、准静态功、热力学第一定律、热容量和焓、理想气体的内能、绝热过程、卡诺循环、热力学第二定律作为自学内容，这些内容在热学都已学过。

2、教学内容

（1）热力学系统的平衡态及其描述；

（2）平衡定律和温度；

（3）物态方程；

（4）准静态功；

（5）热力学第一定律；

（6）热容量和焓；

（7）理想气体的内能、绝热过程、卡诺循环；

（8）热力学第二定律；

（9）卡诺定理与热力学温标；

（10）克劳修斯等式和不等式；

（11）熵和热力学基本方程；

（12）理想气体的熵；

（13）热力学第二定律的普遍表述；

（14）熵增加原理的简单应用；

（15）自由能和吉布斯函数。

3、本章重难点

（1）本章重点是热力学第二定律和热力学基本方程；内能、焓、熵、自由能和吉布斯函数；

（2）本章的难点为建立熵的概念，应强调其物理意义。

第二章均匀物质的热力学性质（5学时）

1、基本要求

本章是热力学与统计物理的重点内容,以特性函数及其基本微分方程和麦克斯韦关系为重点讲授内容，删去低温的获得一节，将气体的节流过程和绝热膨胀过程作为自学内容。

2、教学内容

（1）内能、焓、自由能和吉布斯函数的全微分；

（2）麦克斯韦关系的简单应用；

（3）气体的节流过程和绝热膨胀过程；

（4）基本热力学函数的确定；

（5）特性函数；

（6）平衡辐射的热力学；

（7）磁介质的热力学。

3、本章重难点

本章重点是特性函数及其基本微分方程和麦克斯韦关系

第三章单元系的相变（6学时）

1、基本要求

本章是热力学与统计物理较为重点的内容,以开放的热力学基本方程为基础重点讲授单元系的复相平衡条件和平衡性质等内容，删去临界现象和临界指数、朗道连续相变理论两节，将临界点和气液两相的转变作为自学内容。

2、教学内容

（1）热动平衡判据；

（2）开系的热力学基本方程；

（3）单元系的复相平衡条件；

（4）单元复相系的平衡性质；

（5）临界点和气液两相的转变；

（6）液滴的形成；

（7）相变的分类。

3、本章重难点

（1）本章重点是开系的热力学基本方程、单元系的复相平衡条件和平衡性质；

（2）本章难点是液滴的形成、二级相变。

第四章多元系的复相平衡和化学平衡（4学时）

1、基本要求

本章是热力学与统计物理中非重点的内容,以多元系的热力学函数和热力学方程为基础重点讲授多元系的复相平衡条件、吉布斯相律、热力学第三定律等内容，删去化学平衡条件和理想气体的化学平衡两节，将二元系相图举例和混合理想气体的性质作为自学内容。

2、教学内容

（1）多元系的热力学函数和热力学方程；

（2）多元系的复相平衡条件；

（3）吉布斯相律；

（4）二元系相图举例；

（5）化学平衡条件；

（7）热力学第三定律。

3、本章重难点

（1）本章重点是多元系的热力学函数和热力学方程、吉布斯相律；

（2）本章难点是热力学第三定律。

第六章近独立粒子的最概然分布（13学时）

1、基本要求

本章是统计物理的基础内容,是学好后续章节的根本，应作为重点内容讲授，重点掌握粒子和系统运动状态的描述、分布与微观态的关系、三种分布。将等概率原理作为自学内容。

2、教学内容

（1）粒子运动状态的经典描述；

（2）粒子运动状态的量子描述；

（3）系统微观运动状态的描述；

（4）等概率原理；

（5）分布和微观状态；

（6）玻耳兹曼分布；

（7）玻色分布和费米分布；

（8）三种分布的关系。

3、本章重难点

（1）本章重点是分布和微观状态的关系、玻耳兹曼分布、玻色分布和费米分布；

（2）本章难点是分布和微观状态的关系，熟练掌握玻耳兹曼分布、玻色分布和费米分布以及三种分布的关系。

第七章玻耳兹曼统计（9学时）

1、基本要求

本章是热力学与统计物理的重点内容,是统计物理的核心章节，以玻耳兹曼分布为基础重点掌握热力学量的统计表达式、统计物理处理问题的方法、玻耳兹曼统计的广泛应用。删去顺磁性固体、负温度状态两节，将理想气体的熵作为自学内容。

2、教学内容

（1）热力学量的统计表达式；

（2）理想气体的物态方程；

（3）麦克斯韦速度分布律；

（4）能量均分定理；

（5）理想气体的内能和热容量；

（6）理想气体的熵；

（7）固体热容量的爱因斯坦理论。

3、本章重难点

（1）本章重点是热力学量的统计表达式、玻耳兹曼统计处理问题的方法；

（2）本章难点是理想气体的内能和热容量、固体热容量的爱因斯坦理论。

第八章玻色统计和费米统计（6学时）

1、基本要求

本章是热力学与统计物理的重点内容,以玻色分布和费米分布为基础重点掌握热力学量的统计表达式；对光子气体、自由电子气体等应用。删去简并理想费米气体简例、准二维电子气体与量子霍尔效应两节，本章无自学要求。

2、教学内容

（1）热力学量的统计表达式；

（2）弱简并玻色气体和费米气体；

（3）光子气体；

（4）玻色-爱因斯坦凝聚；

（5）金属中的自由电子气体；

（6）简并理想费米气体简例。

3、本章重难点

（1）本章重点是热力学量的统计表达式、光子气体；

（2）本章难点是玻色-爱因斯坦凝聚、金属中的自由电子气体。

第九章系综理论（8学时）

1、基本要求

在所研究的问题中计及粒子之间的相互作用，系统的能量表达式包含粒子间的相互作用的势能。

2、教学内容

（1）相空间 刘维尔定理；

（2）微正则分布；

（3）微正则分布的热力学公式；

（4）正则分布；

（5）正则分布的热力学公式；

（6）巨正则分布的热力学公式；

（7）巨正则分布的简单应用。

3、本章重难点

本章重点是正则分布、正则分布、巨正则分布的热力学公式

四、先修课程要求：

高等数学、普通物理、理论力学

五、考核方式

1、成绩评定总则

期末总评成绩由平时成绩和期末卷面成绩构成2、平时成绩评定

平时成绩由作业、提问、考勤、期中成绩累加构成3、期末考核评定

期末总评成绩=平时成绩（占10％）+期末卷面成绩（占90％）

六、建议教材及教学参考书：

教材：

汪志诚，《热力学·统计物理》（第三版），高等教育出版社，2003 主要教学参考书目：

1、马本堃，《热力学与统计物理学》，高等教育出版社，19952、刘连寿，《理论物理基础教程》，高等教育出版社，20033、王竹溪，《热力学教程》，人民教育出版社，19794、王竹溪，《统计物理学导论》，人民教育出版社，19795、L.E.雷克（黄韵等译），《统计物理现代教程》，北京大学出版社，19836、Walter Greiner，《Thermodynamics And Statistical Mechanics》，Springer，2004

第四篇：热力学统计物理学考试大纲

2012年全日制专业学位研究生考试

《热力学与统计物理》考试大纲

科目名称：热力学与统计物理

适用专业：热能动力系统节能及环境控制、新能源开发及应用，低温与制冷 参考书目：（1）马本昆、高尚惠、孙煜编，《热力学与统计物理学》，高

等教育出版社．（2）汪志诚，《热力学、统计物理》，人民教

育出版社，考试时间：180分钟

考试方式：笔试闭卷

总分：150分

考试题型及分数：名词解释题：20分；选择填空题：40分；综合分析及计算题：90分

考试要求：要求考生系统掌握《热力学与统计物理》基本概念、基本理论、基本方法；掌握由大量粒子所构成的系统的统计规律性，并掌握分析这类系统的有效方法。要求考生掌握系统微观运动状态的描述方法，要求考生具有一定的抽象思维能力和逻辑思维能力。能给出具体问题的微观描述与宏观描述的关系。考查要点：

主要考试内容为：热力学基本定律，热力学函数及其应用，不可逆过程热力学，玻耳兹曼统计分布，系综理论，量子统计分布。

1.热力学基本定律

考试内容：温度及物态方程；准静态功；热力学第一定律、第二定律；卡诺定理；热力学温标；克劳修斯等式和不等式；熵与热力学基本方程；熵差计算；熵增加原理的简单应用、不可逆过程的判断。

考试要求:（1）掌握热力学方法的特点、基本概念（2）掌握功与循环的相关计算、物态方程的确定（3）掌握系统熵函数的计算、系统状态变化的方向。

2.均匀物质的热力学性质

考试内容：内能、焓、自由能和吉布斯函数；Maxwell关系及简单应用；基本热力学函数的确定；特性函数；平衡辐射的热力学；磁介质系统热力学；电介质系统热力学；开系热力学基本方程。

考试要求：（1）掌握如何确定系统的特性函数；（2）掌握如何确定系统的基本热力学函数；（3）掌握磁致伸缩和压磁效应的本质；（4）了解开放系统的热力学基本不等式。

3.相变理论基础

考试内容：单元二相系统的平衡，两相的转变；临界现象；复相系的平衡性质、相律、相图；朗道连续相变理论；理想气体的化学反应、平衡条件；热力学第零三定律；

考试要求：（1）掌握热动平衡判据的理论和方法；（2）掌握单元和多元系的热力学基本方程；（3）掌握复相系的平衡性质和朗道连续相变理论；（4）了解理想气体的化学反应、平衡条件；（5）掌握热力学第零三定律。

4.不可逆过程热力学简介

考试内容：局域熵产生率；昂萨格关系；温差电现象；

考试要求：掌握不可逆过程热力学的基本思想和基本方法。

5.玻尔兹曼分布

考试内容：粒子配分函数；热力学量的玻耳兹曼统计表达式；理想气体的物态方程；理想气体的内能和热容量；理想气体的熵；能量均分定理，气体和固体热容的经典理论；气体热容的量子理论。

考试要求：（1）理解μ空间；（2）掌握玻尔兹曼统计分布率；（3）掌握热力学公式；（4）掌握单分子理想气体；（5）掌握能量均分定律，气体和固体热容的经典理论；（6）掌握气体热容的量子理论。（7）了解非理想气体的物态方程。

6.系综理论

考试内容：相空间；刘维尔定理；微正则分布；微正则分布的热力学公式；正则分布及热力学公式；固体的热容量；巨正则分布及热力学公式。

考试要求：（1）掌握系综理论的基本思想和统计方法；（2）掌握系综理论与最概然理论的关系；（3）理解并掌握Γ空间，刘维定理，微正则分布，孤立系统的熵；（4）掌握正则分布；（5）掌握热力学公式；（6）了解非理想气体的物态方程。

7.量子统计学

考试内容：热力学量的统计表达式；弱简并玻色气体和费米气体；光子气体；固体比热；金属中的自由电子气体；热电子发射 接触电势差 泡利顺磁性；量子霍尔效应；

考试要求：（1）掌握费米 狄拉克分布与玻色 爱因斯坦分布；（2）了解金属中的自由电子；（3）掌握理想玻色气体的性质；（4）掌握固体比热，声子。

8.涨落理论

考试内容：涨落的半热力学理论。

考试要求：了解涨落的半热力学理论。

第五篇：统计物理学专业自我鉴定

统计物理学专业自我鉴定

四年的学园生涯,在良师益友的相互帮助下,自身综合素质一定得到提高。为实现人生的价值打下坚实的基础。

在学习上，对统计物理专业的学习，需要的知识面广了，涉及技术、材料性质、设备等方面的内容。学习专业课程，需要与实际结合，更需要认真的学习态度，细心、谨慎的性格。有一点特别的是，统计物理与经济相挂钩。我的学习成绩在班上名列前茅。这些源于我对学习的热爱，我认为做任何事情都要有兴趣，特别是学习，没兴趣就学不好。我认为对专业课学习不应只停留在课本上，还应该多阅读课外书。所以我经常对市场做调查。我觉得这样才能学好专业知识。

思想上，令我最自豪的事情是经过不断的努力学习和提高自己，我顺利的加入了中国共产党。待人诚恳，能较好处理人际关际，处事冷静稳健，能合理地统筹安排生活中的事务。并且一直在追求人格的升华，注重自己的品行。四年里我不断的自我反省,改善自身不足之处,始终以提高自身的综合素质为目标，以自我的全面发展为努力方向，树立正确的人生观、价值观和世界观。面对现在，我努力拼搏；面对将来，我期待更多的挑战。战胜困难，抓住每一个机遇，相信自己一定会演绎出精彩的一幕。