流變學講義 前言2

流變學講義 前言2

來自專欄物理討論組

3. 物理學基礎：高分子物理

《高分子物理》課，不管中外，都其實是現代軟凝聚態物理概念和思考方法的大雜燴。課程里的很多概念其實是其他凝聚態物理理論和方法向高分子體系的挪用。很多考慮問題的方法其實在理論物理學家角度是自然的。但是前面提到了，這門科學從誕生開始就是以化類學生為聽眾的。所以這些概念和方法，化類學生一般是只會《高分子物理》課里聽說過，所以很多學生在擴大學術見聞之前會誤以為其中一些概念是「高分子特有」的。

更大的問題在於我國的《高分子物理》教育嚴重依賴何曼君和何平笙兩個人的體例。至今從體系到闡釋語言未有大的改變。雖然這兩套課本擔任了我國近四十年以來的高分子人才教育，現在走遍中國只要遇到學高分子的同行，都能找到相當一致的共同語言；但是這兩套課本的認識已經比較過時，甚至多有不妥。高分子科學在中國起步的當年，我國學界十分落後。很多學科的基礎不是完全沒有，就是停留在十九世紀和冷戰時期的蘇聯水平。很多當代學科全靠「毅然回國」的國外優秀學者，從教材、講義、全國高校培訓班一手包辦，才在中國建立起來的。這種現象不乏見於我國較早發展的各學科歷史中。

高分子物理就是這樣。我國建國後高分子科學研究和教學的建立主要依靠的是錢人元先生的努力。現在的何平笙版和何曼君版本的《高分子物理》教材，都脫胎於兩位作者1959年參加錢人元在中國科技大學開設的高分子物理課。1959年在高分子科學的發展歷史中還算是比較早的年代，我國這時候的起步不算晚。當時高分子物理還主要由Flory的工作所統治。在後來八十年代的修訂版本，我們也看到一些後來的新認識，例如一些de Gennes的工作。但都是以補充的形式加上的，體現不出跟原書的Flory理論有何一致性（這種一致性的良好體現可見Yamakawa的Modern Theory of Polymer Solutions）。還有很多概念其實是對當代物理不熟悉而編造的。例如，何謂「聚集態結構」、「織態結構」？（無非是基本熱力學在液液、液固相變的應用，又遇到了複雜體系非各態遍歷性的難題。）為何「分子運動」一章提到「力學鬆弛」？（Green--Kubo關係，線性響應理論，是非平衡態統計物理知識）高分子的鏈統計為何沒有考慮分子熱運動？（純粹是忽略了。）

此外，由於是向化類學生講述的緣故，全書充滿了工業實例。但是這些實例卻成為多年考試的主要內容。事實上，從物理的角度，模型都是粗粒化理想化的，只在基要求的條件下相符。舉出一、兩個符合的實例，只為體現該理論的成功。但是，成功的理論就是能夠用來解決各類問題，我們要掌握的應該是理論認識及其解題技能，而不是去背這些實例。如果一門課的主要價值是這些實例，那這本書只會越寫越厚。高分子科學的前沿早就不再是書上那些聚乙烯、聚碳酸酯等普通日用材料的粘流特性了。

高分子科學的發展，曾經需要引進當時的凝聚態理論；今天他的進一步發展，就依然需要引進當代的凝聚態理論。高分子科學不是一個能夠自給自足來發展的學科。所以，化類學生學習高分子物理這門課，正確的心態應當不是把這門課當作獨立的課程來學習，而是以這門課為窗口，了解到廣闊的凝聚態物理理論方法，然後去學習這些物理，最後反觀高分子物理的內容，看作是凝聚態物理的基本方法在高分子體系中的體現和應用，從而建立「基本物理才是重要的」這一觀念。在今後的前沿研究和工程開發當中，也保持對相關理論物理學發展的關注，把新的理論和方法（或至少是基本認識）引入到高分子問題中來。當前中文的《高分子物理》教材顯然達不到這種觀念的傳達，大部分高校的《高分子物理》教學實踐也離這樣的觀念很遠。

相比之下，胡文兵的《高分子物理導論》就強烈地體現了高分子物理在物理學中的一般性（而非特殊性），很好地傳達了上述的觀念。外文教材也往往有著上述的問題，能較好傳達以上觀念的有Rubinstein的那本高分子物理。舉個例子，物理學家思考溶液中的高分子運動時，能用的理論就是基本的hydrodynamics理論。那就應該先介紹基本的hydrodynamics理論，再過渡到長鏈分子。胡文兵的書就是這麼做的（第5章）。有了這個觀念，對進一步理解高分子物理的前沿問題很重要。胡文兵書的5.1節叫「簡單流體」（英文版叫simple fluid）。事實上簡單液體（simple liquid）是液體物理的基石，其經典之作當數Hansen等人的Theory of Simple Liquid（第3版最流行，最新為第4版）。如果在講高分子溶液時有這種引入，那麼就能建立「高分子液體也能用液體理論來處理」的觀念。那麼高分子液體的前沿問題——玻璃態和玻璃化轉變——也應該求助於液體物理關於這一話題的研究成果。如果回過頭去看完整本Theory of Simple Liquid，那顯然就可以走兩條路，一條就是唯象的廣義流體動力學（generalized hydrodynamics），另一條是基於投影運算元的第一原理性理 論，如mode coupling theory。這就能理解K. Schweizer等人的工作了。可見，在本科建立了正確的觀念的學生，進入研究生工作的過程會非常順理成章。

然而事實恰恰相反。我在高分子年會上聽到台下有人信誓旦旦地提問質疑：玻璃態轉變是高分子特有的！這正是國內流行教材傳達錯誤觀念的結果。

回到跟流變學的關係上。《高分子物理》可以採用的，只能是一些關於剪切粘度和線性粘彈性的部分知識。高分子結構流變學所依賴的高分子動力學（dynamics）認識，國內流行的《高分子物理》教材基本沒有涉及。

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