统计物理学教材评介

统计物理学教材专题评介赵丹、孔婧竹（南开大学数学科学学院）一、国外统计物理类教材简介1.1 Statistics Physics（统计物理）1988年由美国罗德里奇出版社第一次出版，1995年再版。作者TONY GUENAULT是英国兰开斯特大学低温物理学名誉教授和物理与材料学院前院长。在这本新书中，TONY GUENAULT提供了清晰并且可读性很强的关于统计物理的介绍，这是大学物理系一年级学生的必备知识。其内容本身是独立的，注重物理概念的理解，而并不需要高深的数学知识。本书从一开始便直接引入统计平均法的概念，因为作者认为，这样比传统的讲解方法更易理解。该书的第一部分旨在解释粒子分离集会的平衡性能。因此，一些重要的问题，比如一个理想的自旋1 / 2固体电子，便可以在早期阶段讨论。该书对气体的讲解充分覆盖了麦克斯韦-玻尔兹曼、费米-狄拉克和玻色-爱因斯坦统计学知识.本书的最后一章给学生提供了更广阔的视野，这样学生们便能解决更进一步的问题。本书有12章内容，具体包括：基本理论；不同粒子；两个例子；气体：态密度；气体分布；麦克斯韦-玻尔兹曼气体；二价气体；费曼-迪拉克气体；其他情况下的熵；能级跃迁；两个新概念。1.2 Statistical Physics(A Probabilistic Approach) 1991年由美国John Wiley&Sons公司第一次出版。作者BERNARD LAVENDA是意大利degli Studi di Camerino大学的化学物理学教授，他的文章很多都被发表在学术和专业刊物上。本书提供了一个独立统一原则高斯原则作为去除玻尔兹曼原则中不明确性的纽带，和统计分析物理学现象的有力工具。这个原则来源于19世纪早期一个模糊的关于天文力学的研究。此原则也允许从数学统计的观点看统计热动力学。这本新的盖然论方法包含玻色-爱因斯坦统计学和费米-狄拉克统计学，讨论的内容有：玻尔兹曼原则，黑体射线，热动力学概率，量子统计，变化分布，统计平衡，射线和物质的能级跃迁，高斯原则的动力学基础。本书有8章内容，具体包括：熵和概率；黑色放射线：一段历史；从一到无穷；处理信息；正则分布的由来；统计平衡原则；射线和物质的能级跃迁；高斯错误原则的动力学基础。1.3 Principles of Statistical Physics（统计物理学原则）2006年由德国WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KGaA出版社第一次出版。作者Boris M.Smirnov1968年在列宁格勒大学取得博士学位，在不同的研究领域工作之后，他最后于1986年选择成为莫斯科俄罗斯科学学院高温研究所分所的所长。作者是近30本书的独立作者和合作作者，并发表了300篇研究论文。他是低温等离子国家委员会的副会长和初等过程等离子的Section的会长。他的研究领域遍及物理的很多方面。本书将一个高级课程的主题与一本提供关于统计物理学概念的参考书相结合。讨论了大范围的物理现象和多成分系统，不同的描述加深了对现象本身的理解并支持了不同的观点，适用于物理和化学领域的学生，教授及其他相关领域的科学家。本书共有六大部分：前言：1.介绍。第一部分：原子系统的统计物理，2.粒子系统的基本分布，3.波色-爱因斯坦分布；4.费曼-迪拉克分布；5.不连续状态和连续光谱的平衡。第二部分：原子系统的平衡态和激发态，6.热动力学值和热动力学平衡；7.原子系统的平衡状态；8.聚集状态的热动力学和能级跃迁；9.混合物和溶液；10.原子浓缩状态的能级跃迁。第三部分：一些过程和非平衡原子系统，11.包含原子的碰撞过程；12.动力学等式和碰撞积分；13.非平衡物体和现象。第四部分：原子系统的运输现象，14.运输现象的基本原则；15.气体电子的运输；16.浓缩系统中的电子运输；17.离子的运输和群。第五部分：复杂原子系统的结构，18.群结构的特性；19.结合的大分子的结构；20.不规则碎片形系统。第六部分：成核现象，21.气体和等离子的成核特性；22.群生长的过程；23.膨胀气体和等离子的群生长；24结论。1.4 A Modern Course in Statistical Physics（统计物理的现代课程）1984年由美国德克萨斯大学出版社首次以平装本印刷。作者L.E.Reichl是美国德克萨斯大学统计机械中心物理学副教授和代理主任。在过去的15年中，统计物理学领域几乎在每个方向的前沿都取得了喜人的进展，本教科书即是响应这些进步，旨在使标准课程更加现代化。它提供了热动力学，概率原理，平衡和非平衡统计物理的全面的基础内容，与此同时还包含了这些领域的最新成果。所有概念均配有例子以更好的理解物理内容，但并没有采用过分复杂的数学。本书共有17章：介绍；热动力学介绍；热动力学应用；能级跃迁的热动力学；初等概率理论；控制等式；动力学系统的概率分布；各态历经理论；平衡统计机械原理：可溶解模型；平衡波动和临界现象；古典流动性；粒子流动性；初等运输理论；水力学和翁萨格关系；波动-消散原则；长时间痕迹； 非平衡能级跃迁。1.5 Statistical Physics of Polymers：An Introduction（统计物理学中的聚合物简介）本书是由德国斯普林格出版社出版的英译书。日文原版是于2001年在日本由东京科学出版社第一次出版，作者川胜年洋（Toshihiro Kawakatsu）是日本东北大学大学院理学研究科物理学专攻教授。本书用简明且精炼的例子，介绍了当下聚合物和复杂流体研究中所用到的统计模型、理论和方法。而这些知识是研究这个领域所必备的。这本书着重在理论上探究聚合物的物理结构和动态变化。本书主要章节为:绪论；高斯链模型和聚合物的统计理论；中型构造和自洽场论；金兹伯格-朗道理论；聚合物宏观弹性论。 1.6 Statistical Physics ：An Introduction（统计物理简介）该书2006年由德国斯普林格出版社第一次出版。作者吉冈大次郎（daijiro yoshioka）是日本东京大学基础科学院凝聚体物理教授。本书先宏观地简要描述物理系统并分析了理想气体的运动状态，随后又从讨论的结果出发，解释了在基本假设下统计物理的普遍原理，从熵的角度重新定义了温度，压强，自由能等概念。本书主要章节为：热平衡和等概率原理；熵；配分函数和自由能；理想气体 ； 固体热能和黑体辐射；橡胶弹性；磁体；一阶相变；二阶相变；稠密气体低温下的而理想气体。 1.7 Statistics Physics：Including Applications to Condensed Matter（统计物理在凝聚体中的应用）该书2005年由德国斯普林格出版社第一次出版。作者Claudine Hermann是法国巴黎理工学校物理教授，并且是法国巴黎理工学校第一位女性教授。这本书首先阐述了统计物理、热力学、量子力学的基本理论，随后介绍这些知识在实际问题中的应用，例如，静电屏蔽等。本书主要章节为：大型系统的统计描述，假设；不同的统计系综，基本方法 ； 热力学和统计物理；理想气体；不可分辨性，泡利不相容性；量子统计的基本性质；自由费米子的性质；带理论和金属导电性的原理；玻色子：氦4，光量子，热辐射。1.8 Statistics Physics（统计物理）1986年由荷兰爱思唯尔科学出版社第一次出版。编辑H.Eugene Stanley整理了52篇论文，它们都是在第16届IUPAP电动力学和数字机械会议上的演讲。作者致力于以一种全新的方式呈现他们的最新进展，虽然像这样以会议内容改编而成的书通常不易读懂。因此，这些论文被视作一个简明但连贯的1986年统计物理学最新动态的总结。本书以独立平装本发行旨在鼓励以此种方式补充已经存在的电动力学和数字机械的文章。二、共同特点在阅读教材的过程中，发现上述统计物理学书籍有以下一些共同特点：2.1教材作者都是相关领域大家。一本教材的质量与编者的学术水平、写作水平和逻辑思维特点息息相关，因而在分析教材之前，我们先对这几本教材的编者做一简单了解。TONY GUENAULT是英国兰开斯特大学低温物理学名誉教授和物理与材料学院前院长。BERNARD LAVENDA是意大利degli Studi di Camerino大学的化学物理学教授，他的文章很多都被发表在学术和专业刊物上。Boris M.Smirnov1968年在列宁格勒大学取得博士学位，在不同的研究领域工作之后，他最后于1986年选择成为莫斯科俄罗斯科学学院高温研究所分所的所长。作者是近30本书的独立作者和合作作者，并发表了300篇研究论文。他是低温等离子国家委员会的副会长和初等过程等离子的Section的会长。他的研究领域遍及物理的很多方面。L.E.Reichl是美国德克萨斯大学统计机械中心物理学副教授和代理主任。川胜年洋（Toshihiro Kawakatsu）是日本东北大学大学院理学研究科物理学专攻教授。吉冈大次郎（daijiro yoshioka）是日本东京大学基础科学院凝聚体物理教授。Claudine Hermann是法国巴黎理工学校物理教授，并且是法国巴黎理工学校第一位女性教授。2.2教材内容全面详细、结构完整。大学教材既是老师的教学参考书，又是学生自学的引导书，还可作为同领域科研人员的参考用书。它能使读者通过自学就能认识并进入一个新的学科领域，因而要强调基本内容的系统性、完整性，同时要兼顾学科发展现状，跟踪最新发展水平。这就要求一本好教材内容要系统、全面、完整、前沿。如统计物理（Statistics Physics）1988介绍了清晰、完整并且可读性很强的关于统计物理的知识，旨在为大学物理系一年级学生提供必备知识储备。统计物理简介（Statistical Physics ：An Introduction）从熵的角度重新定义了温度，压强，自由能等基本概念，为读者提供了一个以全新角度解读物理的方法，开拓了读者的思维，加深了对物理概念的理解。统计物理的现代课程（A Modern Course in Statistical Physics）响应了统计物理学领域几乎在各个方向的喜人进展，旨在使标准课程更加现代化。它不但介绍了统计物理学的基本知识，还涵盖了不同领域的最新成果，使学生紧跟时代脉搏，随时了解统计物理学领域的最新发展方向，与时俱进。2.3物理理论数学化，推导清晰严谨。学科之间的交叉发展的主要动力在于：一方面，数学的自身发展已经到达一种相当的程度，另一方面，物理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。以上书籍即解决了这样的问题，均将数学工具引入物理问题的解决中，用数学特有的逻辑性、系统性、严谨性使物理理论的推导有根有据，但又不拘泥于数学。阅读这些书籍不需要高深的数学知识，数学仅作为一个工具被引入。这些教材都运用数学、统计力学和理论物理的近年来最新研究成果，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。如统计物理简介（Statistical Physics ：An Introduction）即是引入了数学概念熵，重新从另一个角度分析了物理，书中运用了统计的随机思想，对一些物理现象作出了解释，并附有大量的基本数学公式、图表来帮助读者理解。2.4文献丰富充实、新颖独特。当今是科学研究突飞猛进的时期，基础科学发展也日新月异，这些发展多以演讲论文的形式发表在科技刊物上，而这些科技刊物重点针对于研究领域的专业高级人才，对于普通读者来说很难接触到并且阅读，因而及时吸纳、引用这些最新文献以便让读者了解学科最新发展颇为必要。如统计物理（Statistics Physics）收集了在第16届IUPAP电动力学和数字机械会议上的演讲。致力于以一种全新的方式呈现他们的最新进展，虽然像这样以会议内容改编而成的书通常不太容易读懂，但这却提供给读者一个接近研究前沿，领略高人成绩的平台。而其他书本也都参考了相关领域的最新研究，并在书中适当的位置加以介绍，虽然书中并没有做太深的探究，但简要全面的说的对于普通读者来说足够了。2.5教材及时更新再版。内容更新迅速，多引用最新文献，及时补充最新研究进而多次再版成了书本不断满足读者需求的最根本方法。书本通过再版可以融入当前领域的最新发展成果，还可以剔除一些陈旧、过时的理论方法，保证图书紧跟潮流发展，不会被发展的洪流淹没。而读者也能从书本的不同版本中了解到知识的发展脉络与方向。如统计物理（Statistics Physics）1988年由美国罗德里奇出版社第一次出版，1955年再版。这不仅能反映书本在读者的受欢迎程度，同时也是书本高质量的标志。2.6附录收入了重要的数学等式及其推导。由于这些书都是用数学的思维理论来研究物理，书中避免不了使用一些数学等式、定理等，而这些等式、定理的由来并不需要读者掌握，而且对下文的展开并没有什么影响，所以书本都将这些作为附录呈上，以供有兴趣的读者阅读和思考。这极大程度的方便了读者的阅读。如统计物理简介（Statistical Physics ：An Introduction）附录就收录了阶乘函数的公式，高斯分布，待定因子的拉格朗日方法等。三、各自特色3.1教材编写既注重学术性、准确性，又兼顾文笔的通俗易懂、深入浅出。这方面做的最好的当属统计物理学中的聚合物简介（Statistical Physics of Polymers：An Introduction），本书用简明易懂的语言呈现了抽象的物理理论，使得这本书对初学物理的人同样适用。而且本书还覆盖了比较大范围的物理方面的知识，并在书中提供了大量的统计模型。使得读者可以对统计物理有全面均衡的了解，并激发了读者的兴趣。还有本书章节分类层次清晰明了，便于全面把握此书。3.2教材注重创新性、独到性，给读者新的思考方式与角度。这方面有新意的当属统计物理简介（Statistical Physics ：An Introduction），此书用数学中统计随机的观点重新解释定义了物理学中的量，让读者以一种数学的思维去思考物理问题，重新审视物理学中的一些问题与方法。但书中也强调了物理与数学的区别，不能一味地用数学方法来研究物理，此书是立足于怎样描述和解释问题方法，而不是过分深究为什么，因为物理并不是数学，他不是完全的因果关系，应着重注意探究方法的应用。3.3教材注重理论联系实际。理论归根结底是为实际中遇到的问题服务的，理论联系实际才能让学科有更快更高的发展。在这方面处理的较好的是统计物理在凝聚体中的应用（Statistics Physics：Including Applications to Condensed Matter），此书首先阐述了统计物理、热力学、量子力学的基本理论，随后有详细介绍了这些知识在实际问题中的应用，例如，静电屏蔽等。将理论与实际问题的解决结合起来，有利于让读者从抽象的思维中解放出来，让知识变得实体化，这样更有助于读者对知识的深层次理解，并学会运用知识的方法，提高读者的积极性。此外本书还具有挺强的逻辑性强，使读者更能顺畅的理解与掌握。3.4教材注重讲解方法新颖性、独到性。同一内容的讲解需要注重讲解的方式方法，同一内容，不同的讲解方式可能会产生很大的差别，直接影响读者的吸收率。如统计物理（Statistics Physics）1988年版这本书中，作者TONY GUENAULT从一开始便直接引入统计平均法的概念，这样就比传统的讲解方法更易理解。该书的第一部分旨在解释粒子分离集会的平衡性能。因此，一些重要的问题，比如一个理想的自旋1 / 2固体电子，便可以在早期阶段讨论。该书对气体的讲解充分覆盖了麦克斯韦-玻尔兹曼、费米-狄拉克和玻色-爱因斯坦统计学知识.本书的最后一章给学生提供了更广阔的视野，这样学生们便能解决更进一步的问题。3.5教材采用数学思想描述物理世界。解决引入其他学科的工具解决本学科问题也是一个很好的方法。正所谓“他山之石可以攻玉”，如统计物理Statistical Physics(A Probabilistic Approach) 这本书，作者BERNARD LAVENDA提供了一个独立统一原则高斯原则作为去除玻尔兹曼原则中不明确性的纽带，通过引入这一数学工具，使得物理理论的证明变得更加严谨。我们知道，通常来说，像物理、生物、化学这样来源于实验的学科，通常都不太注重严谨的公式推导，这就容易给人不严谨的感觉和攻击的口食。但通过将数学工具引入物理理论的证明，便可以很好的解决这些问题。不但使物理更加理论化，也提供了一个数学公式应用的一个很好的例子。3.6教材紧跟研究前沿。与时俱进，随时更新本学科的理论成果也是广大科学工作者责无旁贷的责任和书籍编写的需要。如统计物理学原则（Principles of Statistical Physics）将一个高级课程的主题与一本提供关于统计物理学概念的参考书相结合。讨论了大范围的物理现象和多成分系统，不同的描述加深了对现象本身的理解并支持了不同的观点。又如统计物理的现代课程（A Modern Course in Statistical Physics）作者L.E.Reichl将过去的15年中，统计物理学领域在各个方向所取得的进展引入教科书中，使得标准课程更加现代化。它不但提供了热动力学，概率原理，平衡和非平衡统计物理的全面的基础内容，还包含了这些领域的最新成果。所有概念还配有例子以便更好的理解物理内容。而1986年由荷兰爱思唯尔科学出版社出版的统计物理（Statistics Physics）则直接将52篇论文在第16届IUPAP电动力学和数字机械会议上的演讲集结成书。作者致力于以一种全新的方式呈现他们的最新进展，虽然像这样以会议内容改编而成的书通常不易读懂。因此，这些论文被视作一个简明但连贯的1986年统计物理学最新动态的总结。四、对国内编写同类教材的启示总体而言，当前我国高校使用的教材质量与国外相比仍有较大差距。教材的编写是一个长期酝酿和准备且需付出艰辛努力的工作，如何改进教材的编写质量也是一个循序渐进的过程。但基于以上国际经典教材的分析，可以看出，统计物理学书的编写中以下几点是值得注意和借鉴的：4.1编写一本好教材的基本素质之一就是丰富的教学和科研经历。尤其对统计物理这样一门理论性很强的学科而言，通常是很难读懂的，如若作者有丰富的教学和科研经历，便能更好的了解本学科的难点在哪里，学生不懂的地方一般在哪里，用什么方法讲解最利于学生的理解，这样才能根据学生需要，编出一本深入浅出，适合学生和周边学科的非专业人士阅读的教材。4.2理论联系实际也是外国书籍的一大特点之一。无论是外国教学或是书籍的编写，都非常注重将所讲授的理论与实际应用相结合，是学生读后能学以致用，工作人员也可以随时在书中找到问题的最新解决方法。而国内的书籍在这方面尚有欠缺，国内书籍偏重于理论性，在应用方面则稍显欠缺，一方面降低了工作效率，另一方面也削弱了书的使用功能。因此将理论与实际相结合将是未来书籍编写的一个改进方向。4.3在书籍的编写中，如果都是大量文字的堆砌则显得枯燥乏味，这时，如果适时的加入图表，不但显得富于变化，还非常清晰，一目了然。通过大量的表格、图件来表述数据所反映的特征、数据变化规律使文章看起来清晰又有趣，可读性很强。此外，图表可以发挥文字难以表述的功能，与文字叙述相比较，图表更直观、