梅尔敏-瓦格纳定理 (Mermin–Wagner theorem)

定理内容

该定理指出,在二维或一维系统中,对于具有连续对称性的系统,如自旋模型,如果短程相互作用满足一定的条件,那么不存在长程有序。这意味着,在有限温度下,自发对称性破缺是不可能的。这个定理主要关注的是热涨落的影响,这些涨落会破坏长程有序。具体来说,热涨落会破坏二维和一维系统中连续对称性的长程有序

适用范围

梅尔敏-瓦格纳定理适用于具有连续对称性的系统,例如具有O(n)对称性的自旋模型(比如XY模型,Heisenberg模型),或者具有U(1)对称性的超导体模型。这个定理依赖于相互作用的短程性,以及对相互作用的特定要求。它通常不适用于具有长程相互作用的系统,比如库仑相互作用或引力相互作用。

对于三维系统,热涨落的影响较小,因此可以出现自发对称性破缺,例如铁磁性相变。然而,对于二维和一维系统,热涨落可以压制长程有序的形成。这意味着,在二维或一维系统中,连续对称性在有限温度下通常不会破缺,而是在零温下破缺。这个定理说明了低维系统中热涨落的重要性

物理意义

梅尔敏-瓦格纳定理对理解物质的相变行为具有重要意义。它解释了为什么二维和一维系统中,某些类型的有序相,比如铁磁性,在有限温度下无法稳定存在。这个定理促使物理学家们探索新的理论,例如Kosterlitz-Thouless相变,用于解释二维系统中存在的特殊相变行为。

这个定理也对量子场论产生了影响,特别是在研究凝聚态物理学的模型时。对于那些被低维物理所描述的系统,理解热涨落的重要性是至关重要的。

Kosterlitz–Thouless相变

尽管梅尔敏-瓦格纳定理排除了二维系统中长程有序的可能性,但二维系统中依然存在可能的相变。Kosterlitz-Thouless相变是一种特殊的相变,在二维系统中出现。在Kosterlitz-Thouless相变中,系统经历了从无序相到准有序相的转变,而不是完全有序的相。

在准有序相中,虽然不存在长程有序,但系统中存在着拓扑激发,比如涡旋。这些涡旋会形成配对,从而导致准长程有序。随着温度的降低,涡旋配对会变得更加稳定,系统表现出准长程有序。在特定温度下,涡旋开始解离,从而导致相变。

结论

梅尔敏-瓦格纳定理阐明了在低维系统中热涨落对连续对称性破缺的限制。它指出,在二维和一维系统中,连续对称性在有限温度下不能自发破缺,从而影响了物质的相变行为。这个定理为理解低维系统的物理特性提供了重要的理论基础,并促使人们发展了新的理论,例如Kosterlitz-Thouless相变,来描述这些系统中的复杂行为。

参考资料