统计物理主要是研究一些相互作用粒子系统(interacting particle systems)。有学者认为,这是物理学界对于复杂系统微观机制的最初尝试。
数学家,特别是概率学家关注粒子系统是在上世纪中叶。美国概率学家Spitzer和苏联概率学家Dobrushin是该领域的元勋。半个世纪以来,粒子系统得到快速发展,已经成为概率论领域的核心课题之一。
以大家熟悉的Ising模型为例,粒子系统概括起来有这么一些特点:
1)一般,粒子之间的相互作用是局部的(短程)
2)粒子都处于某种空间结构当中,以Z^d格点最为普遍。
3)高维粒子系统一般存在相变现象。
4)粒子系统的研究方法较为缺乏,这重要是因为不同的空间结构,其拓扑性质的研究多半依赖组合数学和图论技巧。
在复杂科学领域,有一个概念和粒子系统十分相似,叫元胞自动机(Cellular Automata)。是时间和空间都离散的动力系统。散布在规则格网 (Lattice Grid)中的每一元胞(Cell)取有限的离散状态,遵循同样的作用规则,依据确定的局部规则作同步更新。大量元胞通过简单的相互作用而构成动态系统的演化。只是,复杂性的研究手段主要依赖计算机仿真,已经有科学家通过对元胞自动机不同参数的仿真,发现了一系列复杂现象,并称之为“混沌的边缘”。
个人认为,元胞自动机和粒子系统所针对的动力系统是基本一致的,只是研究手段和关注的问题不同