混沌中现出有序_宇宙时间奥秘
宏观系统的自然倾向是循着时间箭头走向平衡态。但是，如果系统的这一过程在它达到目的地之前就停止了，情况又会是怎么样呢？
所示的盛有氢气和硫化氢气体混合物的容器，可以用来说明，只要使一个系统保持在非平衡的状态，就可以推翻“熵就是无序”这样一个肤浅的教条。本来我们会以为，当混合物被加热时，它会变得更加无序：热量加得越多，气体分子就会越起劲地在容器里到处乱跑。但是现在让我们来防止它达到平衡态，这只要使容器的两端保持一个很小的温度差就行了。实验显示，在容器中的两种气体将逐渐发生分离：容器中较热的一端富于较轻的氢气，而较冷的一端高度集中着质量较大的硫化氢。这个效应称为热扩散，这同一效应也使得贮油罐中的油物质出现类似的浓度分布轮廓。
散装置。如果两个容器之间保持温度差，在其中一个容器中会发现更多的某种分子，而另一种分子则较少。浓度梯度正比于温度差（T1 —T2）。[根据普里高津等所著《在时间与无穷无尽之间》第 50 页。]
初看上去这个现象是与直觉相反的——加热容器使得熵增加，然而却使分子分布的随机性减小了，显现出一个所谓的气体浓度梯度。尽管热力学第二定律的通俗解释，是熵直接联系“无序”，而热扩散却表明，有序的组织可以自发地从无序状态中形成。在上面这个简单的例子中，这种有序组织就是沿着温度梯度方向，氢气浓度的逐渐增大，硫化氢浓度的随之减小。诚然，在气体分子的激烈运动中还是存在有随机性，但是总的说来这显然不是处于热平衡。热扩散给出了第一个例证，说明在不可逆的、非平衡态过程中，可以产生出有序性。这样，时间箭头就和可能出现的结构联系了起来。
平衡势使我们能够预测一个热力学系统的最终状态。它表明系统就像一个在路上滚动的球，无论它从凸起的什么地方开始滚动，最后总是停止在低洼之处。当一个系统由于其周围环境的限制而不能达到平衡时，是否对非平衡态行为也有一个类似的说法？总的说来答案是肯定的，只要系统不是偏离热力学平衡太远：还是用球来作比喻，球总是会滚到低洼处的。但是它也许会滚到另外什么地方——例如，如果它跑得离低洼处太远的话，它会落到另一个坑穴里面，这就使得预测变得困难得多。为了对热扩散确定一个热力学势，容器两端的温度差，也就是温度梯度，必须充分小。
温度梯度给了该系统一个“推动”，因而可以被描述为如同一种热力学力。这样的力造成了热量流和质量流，就像踢球使球运动一样。在
接近平衡的时候，热流和质量流表现得很简单——如果力增加一倍，则流也增加一倍，如此等等。热流和质量流与造成它们的力直接成正比，因而我们把这种情况下的热力学叫做线性热力学。
线性热力学主要是由耶鲁大学的昂萨格（Lars Onsager）的努力，才在本世纪 30 年代打下了坚实的基础，昂萨格为此获得了 1963 年的诺贝尔化学奖。他的“倒易关系”表明，在线性系统中有一种美学上很漂亮的对称关系：力产生流，流也产生力。在热扩散的情况下，物质的流动是由一个力引起的（用热梯度来表示）。昂萨格倒易关系接着说，物质的浓度梯度将产生热流，这个效应已经在实验上得到了证实。
1945 年，一个新的角色登上热力学舞台——这就是普里高津
（IlyaPrigogine）。他在 1917 年即俄国十月革命那年出生于莫斯科，十年以后，小普里高津随同家人迁往西欧，在布鲁塞尔定居下来。在由比利时物理化学家顿德尔（ThophiledeDonder）创立的布鲁塞尔热力学派里，他以一个小学徒的身份开始，一步步成长起来。他的大部分大学生涯是在布鲁塞尔自由大学度过的，这所学府当初是由互济会建立的，为的是对抗天主教会对纯世俗事务的横加干涉。至今这仍然是这所大学的宗旨。28 岁的普里高津发现，在线性表现良好的区域，热力学耗散降到它可能的最低点。这样，系统熵的变化率，也就是内禀的熵产生将会减小：一般地，系统将会演化到一个稳定的或不变的状态，此时耗散处于一个极小值。在热扩散的情况下，总的熵可能是增加的，但是当气体最终的浓度梯度已经建立以后，内禀熵的产生率就处在它的最低值。
普里高津的博士论文在 1947 年发表，题目是“不可逆现象的热力学研究”。它包括有最小熵产生定理，并且也为他今后一生的研究打下了基础。普里高津像一颗新星那样升起，最后成为布鲁塞尔学派的领导人物。他和他的老同事格兰斯多夫（PaulGlansdorff），一起探索把热力学分析扩展到新的领域。
普里高津的最小耗散的图像，比起最大熵的平衡态概念来对我们更为有用，因为它与实际世界的关系更为密切——在实际世界中，没有东西是真正处于平衡态的。进一步演化的趋向总是有的：液体会混合，建筑物会风化，物体会冷却。但只要有一个很小的外部影响，使得系统保持在偏离热平衡的状态（例如在发生扩散的容器中的温度梯度），则将持续出现的是一种“稳恒态”，而不是坍缩到完全无序的状态。大多数房主是熟悉这种稳恒态的。风吹雨打和风化作用早晚会使得房屋变成一堆瓦砾，这就是它的平衡态。但是房屋通常可以在许多年里保持在稳恒态，因为维修的速率等于损坏的速率。只有当房屋停止维修时，房屋才开始风化瓦解（虽然最后的坍塌是很多年以后的事，但无论如何早晚一定会发生）。
在平衡态热力学的情况下，时间之箭的“箭靶”可以用一个具有像
最小自由能或最大熵这样一些量的固定点吸引子来描述，它把系统拉向平衡态。对于偏离平衡，但是由于外部影响相对很小，而使得系统能够保持接近平衡态的情况，我们可以看到，许多平衡态情况下发生的事情仍然成立。最终的状态——例如像浓度梯度——仍然不随时间而变，仍然是恒定的。普里高津把分析推广到略微偏离平衡的情况，他发现系统通常会演化到熵产生为极小值的点。此时他希望大胆地跨进一步，把这样的分析用于更复杂的情况——特别是远离平衡态的非线性系统——以完成一幅更大范围的系统随时间演化的图像。然而，与平衡态行为的类似性此时不复存在。这个新的领域也许很难懂，但是却非常令人兴奋，因为它和我们所看到的周围世界有非常密切的联系，并且提供了关于时间和变化的一幅更深奥微妙的图景。
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