Introduction to the Theory of Soft Matter: From Ideal Gases to Liquid Crystals

این کتاب تئوری ماده نرم را به دانش‌آموزان در مقطع کارشناسی ارشد یا مقطع کارشناسی ارشد ارائه می‌کند. این یک مقدمه اساسی برای فیزیک نظری در مورد ماده نرم ارائه می دهد و مفاهیم تقارن، تقارن شکسته و پارامترهای نظم را توضیح می دهد. فازها و انتقال فاز؛ نظریه میدان میانگین؛ و ریاضیات حساب متغیر و تانسورها. این به سبک غیررسمی و محاوره ای نوشته شده است که برای دانش آموزان با زمینه های مختلف قابل دسترسی است. کتاب با یک "مدل اسباب بازی" ساده برای نشان دادن اهمیت فیزیکی انرژی آزاد آغاز می شود. سپس دو نظریه استاندارد انتقال فاز - مدل آیزینگ برای فرومغناطیس و نظریه واندروالس گازها و مایعات - را معرفی می کند و از آنها برای نشان دادن اصول مکانیک آماری استفاده می کند. از آن مثال‌ها، به بحث درباره نظم، بی‌نظمی و تقارن شکسته در بسیاری از حالت‌های ماده و توضیح روش‌های نظری که برای مدل‌سازی پدیده‌ها استفاده می‌شوند، می‌پردازد. این با فصلی در مورد کریستال های مایع به پایان می رسد که تمام این مفاهیم فیزیکی و ریاضی را گرد هم می آورد. این کتاب به‌صورت آنلاین با مجموعه‌ای از «شکل‌های تعاملی» همراه است - برخی به خوانندگان اجازه می‌دهند پارامترها را تغییر دهند و ببینند چه اتفاقی برای یک نمودار می‌افتد، برخی به خوانندگان اجازه می‌دهند یک طرح یا سایر گرافیک‌ها را به صورت سه بعدی بچرخانند، و برخی هر دو را انجام می‌دهند. این شکل های تعاملی به دانش آموزان کمک می کند تا شهود خود را برای معنای فیزیکی معادلات توسعه دهند. این کتاب دانشجویان پیشرفته کارشناسی یا اولیه را برای ورود به مطالعات نظری پیشرفته تر آماده می کند. همچنین دانش‌آموزانی را که وارد علوم تجربی ماده نرم می‌شوند مجهز می‌کند تا کاملاً با جنبه‌های نظری آشنا شوند و با نظریه‌پردازان همکاری مؤثری داشته باشند.

This book presents the theory of soft matter to students at the advanced undergraduate or beginning graduate level. It provides a basic introduction to theoretical physics as applied to soft matter, explaining the concepts of symmetry, broken symmetry, and order parameters; phases and phase transitions; mean-field theory; and the mathematics of variational calculus and tensors. It is written in an informal, conversational style, which is accessible to students from a diverse range of backgrounds. The book begins with a simple “toy model” to demonstrate the physical significance of free energy. It then introduces two standard theories of phase transitions—the Ising model for ferromagnetism and van der Waals theory of gases and liquids—and uses them to illustrate principles of statistical mechanics. From those examples, it moves on to discuss order, disorder, and broken symmetry in many states of matter, and to explain the theoretical methods that are used to model the phenomena. It concludes with a chapter on liquid crystals, which brings together all of these physical and mathematical concepts. The book is accompanied online by a set of “interactive figures”—some allow readers to change parameters and see what happens to a graph, some allow readers to rotate a plot or other graphics in 3D, and some do both. These interactive figures help students to develop their intuition for the physical meaning of equations. This book will prepare advanced undergraduate or early graduate students to go into more advanced theoretical studies. It will also equip students going into experimental soft matter science to be fully conversant with the theoretical aspects and have effective collaborations with theorists.