为什么选择复杂流体 - 奇妙的科研世界

我的课题组现在有两个主攻方向，一是“复杂流体”（比较专业的介绍，请点击课题组网页http：／／econophysics．fudan．edu．cn／jphuang／％E5％A4％8D％E6％9D％82％E6％B5％81％E4％BD％93），一是“经济物理”（比较专业的介绍，请点击课题组网页http：／／econophysics．fudan． edu．cn／jphuang／％E7％BB％8F％E6％B5％8E％E7％89％A9％E7％90％86）。前者属于软物质研究领域；后者属于物理学交叉课题研究领域。

最近，物理系2007级本科生在选修“科研实践”一课，不少学生都找我，想参与本组的经济物理研究。而复杂流体则乏人问津。究其原因，我想，这主要是因为，经济物理字面上很好理解，一看就懂，而复杂流体，则有点唬人了。一看，不懂；再看，还不懂。为什么？因为冠之“复杂”嘛。——尤其对初学者，更是如此。

其实，这里的“复杂”，与日常生活中和“简单”或“容易”语义相反的那个“复杂”相比，两者并不相同。复杂流体中的“复杂”并不“复杂”，只是有特定的含义罢了。嗯，玩绕口令了，看下去就知道了：

大体可以这么说，如果说凝聚态物理属于基础研究的话，那么复杂流体则属于应用基础研究！

复杂流体的英文是“complex fluids”，在美国物理学会的期刊《Physical Review E》（《物理评论E辑》）中就有一个专门的栏目“Structured and complex fluids”（结构与复杂流体）。复杂流体主要包括那些有外场控制的结构流体，如电流变液、磁流变液、（胶体）铁磁流体等。这些材料通常也叫做“智能材料”（smart materials），这里的智能性主要体现在它们会根据外部信息（即外加电场或磁场）来调整自身物理结构和性质，而智能材料也属于复杂系统研究的范畴之一。

所以可以说，复杂流体大体也属于复杂系统的研究范畴，因而复杂流体也具有复杂系统的某些特性。可是，复杂系统又是何方神圣？

相对于简单系统的“2等于1＋1”的还原论研究方法，对于复杂系统，则有“2不等于1＋1”，或者说，通常的还原论的研究方法已经不再适应。说到这里，可能还不好理解，我们可以这样看：上述简单系统中的“1”可以看作一个个的个体，这些个体的性质的简单累加，就构成了整体的“2”。而对复杂系统而言，这样简单的“个体＋个体＝整体”（或“整体＝个体＋个体”）的“自下而上”（或“自上而下”）的研究方法已经不是很有效了，因为，此时“2不等于1＋1”（也许2＝1．5＋0．5，或其他），这里的本质主要体现在“个体无法继续简单决定整体”。譬如说，一辆大众轿车由各种各样的、大大小小的零部件构成，但是，这辆轿车是个简单系统；1 000辆大众汽车行驶在（上海）外滩边上的延安东路构成了交通堵塞，则变为复杂系统了，因为，此时整体的“堵塞”现象已经无法简单地通过个体的性质来解释清楚了。(www.xing528.com)

从上面对复杂系统的介绍可知，复杂流体之所以冠之“复杂”，亦体现在这些系统内的（介电或磁性）颗粒的个体的特性决定不了整体的物理性质，而系统整体的物理性质是由局域个体之间产生不确定性的、复杂的耦合后才体现出来的。

复杂流体，是一个充满挑战的前沿研究领域！它们的应用前景非常广泛，在机械（如磁悬浮列车）、医学（如靶向给药）、光学（如新型非线性光学材料）、航空（如航空服）等领域，皆已经有着、或即将有着非常重要的应用。

最后，值得一提的是，本课题组在复杂流体领域的研究范畴又有进一步拓展，我们正从传统的智能材料领域，拓展到研究微观纳米管道中的水分子输运、生物大分子的输运、磁性纳米颗粒的调控等方面。我们的这些研究不仅有助于为“水资源的净化”献计献策，还有助于理解自然界中的各种生命现象。——这些都是涉及国计民生的大课题，我们在努力，我们期望能够贡献一份绵薄之力！

［补注］

补充一点：经济物理也属于复杂系统的研究范畴，有兴趣了解者请点击这个网页：http：／／www．swarmagents．com／complex／intro／articles．htm。

[1]此文最初于2009年9月11日发表于新浪博客：http：／／blog．sina．com．cn／s／blog＿53af0c0f0100eqdw．html。