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耗散結(jié)構(gòu)體系

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2006-09-16
    1968年,比利時(shí)化學(xué)家Prigogine I R在歷經(jīng)了近20年的探索以后,提出了耗散結(jié)構(gòu)理論。他指出:一個(gè)開(kāi)放體系在達(dá)到遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線(xiàn)性區(qū)域時(shí),一旦體系的某一個(gè)參量達(dá)到一定閾值后,通過(guò)漲落就可以使體系發(fā)生突變,從無(wú)序走向有序,產(chǎn)生化學(xué)振蕩一類(lèi)的自組織現(xiàn)象。這里,實(shí)質(zhì)上是提出了產(chǎn)生有序結(jié)構(gòu)的以下四個(gè)必要條件:

開(kāi)放體系 這樣才可能同外界交換物質(zhì)與能量形成有序結(jié)構(gòu)。具體說(shuō)來(lái),這樣才可能從外界向體系輸入反應(yīng)物等來(lái)使體系的自由能或有效能量不斷增加,即有序度不斷增加;同時(shí),才可能從體系向外界輸出生成物等來(lái)使體系無(wú)效能不斷減少,即無(wú)序度或熵量不斷減少。前者是向體系輸入負(fù)熵,后者是從體系輸出正熵,從而使體系的總熵量增長(zhǎng)為零或?yàn)樨?fù)值,以形成或保持有序結(jié)構(gòu)。輸入負(fù)熵,是消耗外界有效物質(zhì)與能量的過(guò)程;輸出正熵,是發(fā)散體系無(wú)效物質(zhì)與能量的過(guò)程。這一耗一散,也就成了產(chǎn)生自組織有序結(jié)構(gòu)的必要條件。因此,自組織有序結(jié)構(gòu)也就可以稱(chēng)為耗散結(jié)構(gòu)。顯然,耗散結(jié)構(gòu)在非開(kāi)放體系中是不可能形成或保持的。

遠(yuǎn)離平衡態(tài) 這樣才可能使體系具有足夠的反應(yīng)推動(dòng)力,推進(jìn)無(wú)序轉(zhuǎn)化為有序,形成耗散結(jié)構(gòu)。例如在恒溫恒壓條件下,可以使反應(yīng)物濃度遠(yuǎn)高于平衡濃度,生成物濃度遠(yuǎn)低于平衡濃度,從而在實(shí)際濃度與平衡濃度間造成巨大濃度差,以推進(jìn)化學(xué)振蕩反應(yīng)的產(chǎn)生。相反,如果在平衡態(tài),則實(shí)際濃度與平衡濃度相等,二者之差為零,反應(yīng)推動(dòng)力為零,反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到極限,反應(yīng)體系的濃度已經(jīng)不再隨時(shí)間變化發(fā)生任何變化,即已經(jīng)達(dá)到“時(shí)間終點(diǎn)”。因此,也就不可能產(chǎn)生濃度隨時(shí)間空間而發(fā)生周期性變化的化學(xué)振蕩現(xiàn)象。此外,在平衡態(tài),體系的熵量已經(jīng)增至極大,無(wú)序度已經(jīng)增至極大,從而也不可能產(chǎn)生有序。所以 Prigogine I R說(shuō),非平衡是有序之源。形象地看,這好比是往咖啡里面加牛奶,達(dá)到平衡時(shí)的最后狀態(tài)只能是一碗混沌無(wú)序的灰色渾湯。但是在達(dá)到那個(gè)狀態(tài)以前的非平衡態(tài),則白牛奶在黑咖啡里排演了多少瞬息萬(wàn)變的漩渦花樣和結(jié)構(gòu)!可見(jiàn),有序的生機(jī)是在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)萌動(dòng)的。

非線(xiàn)性作用 即體系內(nèi)各要素之間具有超出整體是局部線(xiàn)性疊加效果的非線(xiàn)性作用,是一種所得超所望的非線(xiàn)性因果關(guān)系,即一個(gè)小的輸入就能產(chǎn)生巨大而驚人效果。這樣才可能使體系具有自我放大的變化機(jī)制,產(chǎn)生突變行為和相干效應(yīng)、協(xié)同動(dòng)作,以異乎尋常的方式重新組織自己,實(shí)現(xiàn)有序。相反,如果只是具有線(xiàn)性作用,要素間的作用只能是線(xiàn)性疊加即量的增長(zhǎng)而不能產(chǎn)生質(zhì)的飛躍和實(shí)現(xiàn)有序。

這種非線(xiàn)性作用,在化學(xué)體系中是體現(xiàn)在反應(yīng)鏈上存在著自催化或交叉催化的環(huán)節(jié),即某些反應(yīng)物分子的一個(gè)生成物正是它們自身所需要的催化劑,從而使反應(yīng)速率達(dá)到雪崩式的加快(自催化);或?qū)儆趦蓚(gè)不同反應(yīng)鏈上的兩個(gè)產(chǎn)物能各自催化對(duì)方的反應(yīng)(交叉催化),其結(jié)果是可以產(chǎn)生一種難以控制的劇變行為。這種自催化或交叉催化產(chǎn)生的劇變行為,在技術(shù)控制論中被稱(chēng)為正反饋,即某種對(duì)于指定參考值的偏差不僅未能消除反而得到加強(qiáng)的行為。在化學(xué)振蕩反應(yīng)中,正是由于具有了正反饋,才使體系得以造成失穩(wěn)、活化、放大成“化學(xué)鐘”里的前后呼應(yīng)的顏色變化,產(chǎn)生周期性的振蕩。實(shí)際上,正反饋是一種自我復(fù)制、自我放大的變化機(jī)制,因此才能使億萬(wàn)分子的微觀行為像得到指令般地協(xié)同動(dòng)作并在宏觀上實(shí)現(xiàn)有序。可見(jiàn),正反饋、自催化或交叉催化或非線(xiàn)性的相互作用,是產(chǎn)生化學(xué)耗散結(jié)構(gòu)的不可缺少的動(dòng)力條件。

漲落作用 即體系中溫度、壓力、濃度等某個(gè)變量或行為與其平均值發(fā)生偏差的作用。體系具有漲落或起伏的變化,才能啟動(dòng)非線(xiàn)性的相互作用,使體系離開(kāi)原來(lái)的狀態(tài),發(fā)生質(zhì)的變化,躍遷到一個(gè)新的穩(wěn)定的有序態(tài),形成耗散結(jié)構(gòu)。因此,漲落是一種啟動(dòng)力,漲落導(dǎo)致有序。漲落主要是由于受到體系內(nèi)部或外部的一些難以控制的復(fù)雜因素干擾引起的,帶有隨機(jī)的偶然性,然而卻可以導(dǎo)致必然的有序。這就再一次表明,必然性要通過(guò)偶然性來(lái)表現(xiàn),偶然性是必然性的補(bǔ)充。

 

 

 
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