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普里高津和他的耗散結(jié)構(gòu)理論

 育則維善余言 2007-02-07
遠(yuǎn)平衡態(tài)熱力學(xué)的奠墓人普里高津和他的耗散結(jié)構(gòu)理論

 

普里高津(Prigogine,Ilya,,1917—),,1917年1月25日生于莫斯科,比利時(shí)化學(xué)家,。

普里高津曾就讀于比利時(shí)自由大學(xué),,自1947年起擔(dān)任該校化學(xué)教授,,他還擔(dān)任美國(guó)奧斯汀·德克薩斯大學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)和熱力學(xué)中心主任,。

普里高津在自由大學(xué)攻讀化學(xué)過(guò)程中,有一問(wèn)題常使他疑惑不解,,即時(shí)間的作用,。物理和化學(xué)中的過(guò)去和現(xiàn)在起著同樣的作用;而在人們的經(jīng)驗(yàn)中,,昨天,、今天和明天卻完全不同。在他看來(lái),物理和化學(xué)中所描述的是一個(gè)沒(méi)有時(shí)間的世界,,或者是一個(gè)時(shí)間可逆的世界,。中學(xué)時(shí)代,哲學(xué)家H·本格森(Bergson)的《創(chuàng)造進(jìn)化論》中關(guān)于在科學(xué)理論中使用的時(shí)間和人們?nèi)粘sw驗(yàn)中的時(shí)間存在著差別的思想,,給年輕的普里高津留下了很深的印象,。

為了研究時(shí)間的作用,普里高津從1939年起決定學(xué)習(xí)和研究熱力學(xué),。老師T·德·唐道(De Donder)是一位理論熱力學(xué)家,,對(duì)非平衡態(tài)和不可逆過(guò)程情有獨(dú)鐘;而在他之前,,大多數(shù)熱力學(xué)家卻只注重平衡態(tài)而忽視非平衡態(tài)和不可逆過(guò)程,,他們認(rèn)為非平衡只是一種暫時(shí)現(xiàn)象,而不可逆過(guò)程總是浪費(fèi)有用功,,是有害無(wú)益的,。唐道詳細(xì)研究了最早由R·克勞修斯(Clausius)提出的“非補(bǔ)償熱”和不可逆過(guò)程的關(guān)系,首次把“非補(bǔ)償熱”(即熵)概念和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程聯(lián)系起來(lái),,提出作為反應(yīng)推動(dòng)力的化學(xué)親合勢(shì)和描述反應(yīng)體系狀態(tài)的反應(yīng)進(jìn)度的新概念,并以此為基礎(chǔ)提出熱力學(xué)第二定律在化學(xué)中新的表現(xiàn)形式,。唐道對(duì)不可逆過(guò)程的獨(dú)到見(jiàn)解,,吸引了年輕的普里高津的全部注意力,因?yàn)樗杏X(jué)到,,時(shí)間的概念是和不可逆過(guò)程緊密聯(lián)系在一起的,。

1944年,普里高津和R·德菲(Delay)合作出版《采用吉布斯和德·唐道方法的化學(xué)熱力學(xué)》,,詳細(xì)介紹了德·唐道的熱力學(xué)方法,,特別是熵產(chǎn)生原理,開(kāi)創(chuàng)了從不可逆過(guò)程的角度論述化學(xué)熱力學(xué)的道路,,至今仍為一部很有影響的著作,。

1945年,普里高津證明了在非平衡態(tài)的線(xiàn)性區(qū)和外界的約束(限制條件)相適應(yīng)的非平衡定態(tài)(即不隨時(shí)間變化的非平衡態(tài))的熵產(chǎn)生具有極小值,。這一結(jié)論后來(lái)被稱(chēng)為最小熵產(chǎn)生原理,,它與昂薩格倒易關(guān)系被譽(yù)為線(xiàn)性非平衡態(tài)熱力學(xué)的兩塊基石。另外,,普里高津還將居里對(duì)稱(chēng)性原理應(yīng)用于非平衡態(tài)熱力學(xué),,最早提出在各向同性介質(zhì)中不同對(duì)稱(chēng)特性的熱力學(xué)流和力之間不存在耦合的觀(guān)點(diǎn),例如,,他認(rèn)為在各向同性介質(zhì)中作為標(biāo)量過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)和具有矢量特性的擴(kuò)散過(guò)程或熱傳導(dǎo)過(guò)程之間的耦合系數(shù)應(yīng)為零,。這種觀(guān)點(diǎn)得到了大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的證實(shí)??臻g對(duì)稱(chēng)性原理對(duì)不可逆過(guò)程線(xiàn)性唯象關(guān)系中唯象系數(shù)的這種限制有時(shí)稱(chēng)為居里—普里高津原理,。

為了進(jìn)一步弄清生命這種高度有序的時(shí)—空有序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)制,,普里高津從40年代末開(kāi)始著手研究如何把不可逆過(guò)程熱力學(xué)從不可逆過(guò)程的線(xiàn)性區(qū)推廣到非線(xiàn)性區(qū)。因?yàn)樗诖_立了最小熵產(chǎn)生原理以后很快就領(lǐng)悟到,,在線(xiàn)性區(qū),,熵產(chǎn)生在定態(tài)具有極小值這一點(diǎn),就像自由能在平衡態(tài)具有極小值而保證了平衡態(tài)的穩(wěn)定性一樣,,最小熵產(chǎn)生原理保證了近平衡的非平衡定態(tài)的穩(wěn)定性,,任何對(duì)這種穩(wěn)定定態(tài)的偏離都會(huì)隨時(shí)間消亡,不可能在穩(wěn)定的定態(tài)附近自發(fā)產(chǎn)生時(shí)—空有序結(jié)構(gòu),。從流體力學(xué)的穩(wěn)定性理論中得到啟發(fā),,普里高津和他的同事們(俗稱(chēng)布魯塞爾學(xué)派)認(rèn)識(shí)到,有序結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是與不穩(wěn)定性緊密聯(lián)系在一起的,,任何一種時(shí)—空有序結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生,,總是可以看作是某種參考態(tài)失去穩(wěn)定性的結(jié)果。為此,,他和他的同事們花了相當(dāng)多的精力從事包括非線(xiàn)性區(qū)的熱力學(xué)穩(wěn)定性理論的研究,。1954年,他和P·格蘭斯多夫(Glansdorff)提出了所謂普適發(fā)展準(zhǔn)則,,即由熱力學(xué)力隨時(shí)間的變化對(duì)熵產(chǎn)生的貢獻(xiàn)總是非正的,。在線(xiàn)性區(qū),這一準(zhǔn)則等價(jià)于最小熵產(chǎn)生原理,,但這一準(zhǔn)則超出了最小熵產(chǎn)生原理的有效范圍,,同時(shí)適用于非平衡態(tài)的非線(xiàn)性區(qū)。從這一準(zhǔn)則出發(fā),,他們又于60年代得到了同時(shí)適用于線(xiàn)性區(qū)和非線(xiàn)性區(qū)的穩(wěn)定性判據(jù),。按照這個(gè)判據(jù),一個(gè)系統(tǒng)的熵對(duì)定態(tài)的熵的二級(jí)偏差(δ2S)和對(duì)平衡態(tài)的熵的二級(jí)偏差一樣是負(fù)的:

δ2S<0

如果系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過(guò)程能保證:

則定態(tài)是穩(wěn)定的,;

相反,,如果有:

則定態(tài)是不穩(wěn)定的,體系有自發(fā)發(fā)展到其它狀態(tài)的傾向,。這一穩(wěn)定性判據(jù)有時(shí)稱(chēng)為超熵產(chǎn)生判據(jù),。

1971年,他和格蘭斯多夫出版了《結(jié)構(gòu),、穩(wěn)定性和漲落的熱力學(xué)理論》一書(shū),,詳細(xì)分析了有序結(jié)構(gòu)之產(chǎn)生,參考狀態(tài)的穩(wěn)定性與漲落行為之間的關(guān)系,,對(duì)超熵產(chǎn)生判據(jù)在各方面(特別是流體力學(xué)和化學(xué))的具體應(yīng)用作了進(jìn)一步的闡述,。從超熵產(chǎn)生判據(jù)出發(fā),他們發(fā)現(xiàn),在不可逆過(guò)程的線(xiàn)性區(qū),,如果不可逆過(guò)程滿(mǎn)足適當(dāng)?shù)膭?dòng)力學(xué)條件(非線(xiàn)性反饋),,同時(shí)體系偏離平衡的程度足夠強(qiáng),無(wú)序的非平衡態(tài)有可能失去穩(wěn)定性,,某些特定的漲落得以放大,,從而導(dǎo)致某種宏觀(guān)的時(shí)—空有序結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。在這過(guò)程中非平衡和不可逆性起了十分關(guān)鍵的作用,。他們?cè)絹?lái)越感覺(jué)到,,耗散能量的不可逆過(guò)程并不總是像人們習(xí)慣認(rèn)為的那樣,只是起一種浪費(fèi)有用功的消極作用,,它們?cè)诮⒂行蚍矫嬉部梢云鸬侥撤N積極作用,。正是為了強(qiáng)調(diào)能量耗散過(guò)程在建立有序方面的積極作用,同時(shí)為了和人們?cè)缫咽熘南窬w那樣能在平衡條件下產(chǎn)生和形成的結(jié)構(gòu)(平衡結(jié)構(gòu))相區(qū)別,,普里高津把那些在非平衡和開(kāi)放條件下通過(guò)體系內(nèi)部耗散能量的不可逆過(guò)程產(chǎn)生和維持的時(shí)—空有序結(jié)構(gòu)稱(chēng)為耗散結(jié)構(gòu),。

按照耗散結(jié)構(gòu)理論,一個(gè)宏觀(guān)有序狀態(tài)的自發(fā)產(chǎn)生和維持,,至少需要三個(gè)基本條件:(1)系統(tǒng)必須是開(kāi)放的,。根據(jù)熱力學(xué)第二定律,孤立系統(tǒng)的熵總是增加,,因而總是趨于無(wú)序,。而對(duì)于開(kāi)放系統(tǒng),隨著體系和環(huán)境間物質(zhì)和能量的交換,,同時(shí)有熵的交換,通過(guò)維持一個(gè)足夠強(qiáng)的負(fù)熵流,,系統(tǒng)可以維持一個(gè)足夠強(qiáng)的負(fù)熵流,,系統(tǒng)可以維持在相對(duì)低熵和有序的狀態(tài)。(2)系統(tǒng)必須處于遠(yuǎn)離平衡的條件下,,這是因?yàn)榻胶獾姆瞧胶舛☉B(tài)和平衡態(tài)一樣總是穩(wěn)定的,,從這樣的狀態(tài)不能自發(fā)發(fā)展到有序狀態(tài)。只有在遠(yuǎn)離平衡的條件下,,非平衡的定態(tài)有可能失去穩(wěn)定性,,從而自發(fā)發(fā)展到某種有序狀態(tài)。普里高津把這稱(chēng)之為“非平衡可以是有序之源”,。(3)系統(tǒng)內(nèi)部必須存在適當(dāng)?shù)?#8220;非線(xiàn)性反饋”步驟,。在化學(xué)中有一種理想化的非線(xiàn)性反饋是如下形式的自動(dòng)催化反應(yīng):

A+nX→(n+1)X

在自動(dòng)催化反應(yīng)中,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,,有更多的X生成,,由于X參與反應(yīng)本身,它的增加會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)加快,從而產(chǎn)生更多的X,,如此循環(huán),,在一定的條件下可導(dǎo)致失穩(wěn)現(xiàn)象。在失穩(wěn)和導(dǎo)致有序狀態(tài)產(chǎn)生的過(guò)程中,,漲落起著十分重要的作用,。對(duì)于任何一個(gè)宏觀(guān)系統(tǒng),漲落總是存在的,。在通常條件下,,漲落隨生隨滅,對(duì)系統(tǒng)的宏觀(guān)行為的影響不大,,但在系統(tǒng)失穩(wěn)的情況下,,漲落可以放大,最終可達(dá)到宏觀(guān)的量級(jí),,驅(qū)使系統(tǒng)從一種狀態(tài)達(dá)到另一種可能有序的狀態(tài),,普里高津把這稱(chēng)之為“通過(guò)漲落達(dá)到有序”。

“耗散結(jié)構(gòu)”這一名詞最早是由普里高津于1967年在法國(guó)凡爾賽舉行的第一屆“理論物理和生物學(xué)”國(guó)際會(huì)議上提出來(lái)的,。耗散概念的確立,,使得人們對(duì)熱力學(xué)第二定律和自然界的發(fā)展規(guī)律有了更完整的認(rèn)識(shí),極大地推動(dòng)了人們對(duì)自然界中各種有序現(xiàn)象包括生命這種高度有序現(xiàn)象的研究,,并展示了廣闊的應(yīng)用前景,。例如,人們?cè)诤茉缫郧熬桶l(fā)現(xiàn),,有些化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中某些組份的濃度會(huì)隨時(shí)間周期地變化,,即所謂化學(xué)振蕩現(xiàn)象。但長(zhǎng)期以來(lái),,這種現(xiàn)象并沒(méi)有引起人們的重視,,甚至不被承認(rèn),其中一個(gè)重要原因是許多人習(xí)慣于認(rèn)為這種現(xiàn)象是違背熱力學(xué)第二定律的,,因而是不可能發(fā)生的,。耗散結(jié)構(gòu)的確立完全改變了這種觀(guān)念。按照耗散結(jié)構(gòu)理論,,化學(xué)振蕩現(xiàn)象根本不違反熱力學(xué)第二定律,。自此以后,化學(xué)振蕩現(xiàn)象以及其他非平衡非線(xiàn)性化學(xué)現(xiàn)象的研究取得了飛速的發(fā)展,。和化學(xué)振蕩現(xiàn)象相類(lèi)似,,生命現(xiàn)象曾長(zhǎng)期被認(rèn)為是不能用熱力學(xué)第二定律解釋的為生命體所特有的現(xiàn)象。從19世紀(jì)中葉開(kāi)始,,科學(xué)上就有所謂的達(dá)爾文和克勞修斯的矛盾——進(jìn)化和退化的矛盾,。耗散結(jié)構(gòu)至少?gòu)脑瓌t上解決了這一矛盾,。由于他在“非平衡熱力學(xué),尤其是在他的耗散結(jié)構(gòu)理論”方面的成就,,普里高津被授予1977年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),。

耗散結(jié)構(gòu)理論除了在化學(xué)、物理學(xué),、生物學(xué)以及其他自然科學(xué)中都有重要的應(yīng)用外,,甚至對(duì)社會(huì)科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響。美國(guó)著名未來(lái)學(xué)家A·托夫勒(Toffler)在他的《第三次浪潮》一書(shū)中指出,,耗散結(jié)構(gòu)理論“直接打擊了第二次浪潮的假設(shè),,是第三次浪潮引起的‘思想領(lǐng)域的大變動(dòng)’的重要標(biāo)志之一”。他甚至認(rèn)為,,耗散結(jié)構(gòu)理論可能代表了下一次科學(xué)革命,。


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