生机在远离平衡态时萌动_奇点天文奥秘

生机在远离平衡态时萌动_宇宙时间奥秘
 
 
像《银光先生历险记》中那只不叫的狗，给福尔摩斯提供了破案的极其重要的证据一样，格兰斯多夫和普里高津判据的短处，可以转化为值得重视的长处。这个判据之所以不能成为一个普适法则的原因，是由于对远离平衡态的情况，有多种多样的可能性可供选择。这种彻底的复杂性，使得直接因果联系的描述变为不可能，同时可以帮助理解，为什么在许多可能性中采取一种，就赋予系统在时间上演化的实际途径一个特殊的地位。这可以借助于所谓分叉图来说明，它是一种简单的形象化表示，描述了可供选择的多种多样的可能性（分叉的意思是在转折点有叉状分支）。对于我们这位节俭的先生所处的情况，图上表明在接近平衡的时候只有一种可能性，这相当于他处在捉襟见肘的贫困线上（相应于热力学主支）。远离平衡的时候，会出现多得多的可能性或“分支”。图 16（a）中，分叉表示当系统达到它的热力学转折点时，该系统面临的难题。
 
让我们把这种处理用于化学反应，这是不可逆过程的一个极好的例子。随着时间的演化，化学物质相结合，并且从而转变成化学性质上截然不同的产物。例如，氧和氢结合在一起生成水，而铁和大气中的氧相作用形成铁锈（铁的氧化物）。分叉图上显示了，当一个特别的化学反应远远偏离平衡时，可能出现的情况。图 16 中的纵轴代表反应混合物中某种化学成分 A 的浓度。横轴代表与化学反应停止时热力学平衡态的“距离”（用希腊字母λ来表示）。点 A_eq（A 的平衡态浓度，此时λ等于零）
 
是系统中
 
 
远离平衡时化学反应的分叉图。（A）最初的分叉。λ表示当最
 
小熵产生的热力学分支变为不稳定时，到平衡态的距离。分支点或转折点决定了λ处的浓度。（B）整个分叉图。当非线性反应远离平衡态时，  
可能的稳定态的数目急剧增加。
 
 
A 在平衡时的浓度。当一个系统由于某种限制而不能达到平衡时（例如一
 
个开放系统，其中生成物的排出可以不断地由外界物质的输入加以补充），A 的浓度将与 A_eq 不同。在这种情况下，反应剂 A 的补充速度与被反应消耗的速度相同，因而使得 A 的浓度保持不变。这时的浓度与 A_eq
 
的差别，就可以作为系统保持偏离平衡时，与热力学平衡态的“距离”
 
的量度。
 
分叉图给了我们一些什么启示呢？在平衡态以及平衡态附近，λ处
 
于线性良好的区域（即在热力学主支上），并且系统遵循普里高津的最
 
小熵产生定理，反应混合物也处于稳定的稳恒态。但是当与平衡态的距
 
离超过一个临界的阈值时，就会出现选择，也就是在热力学转折点，即分叉点λ_c，突然出现两条线。图上的虚线表示热力学主支，现在它变成
 
为不稳定的了。
 
这种转折点具有特殊意义，因为越过它以后（它的位置决定于所研究的化学反应的细节），我们在有些情况下可以看到有序行为的出现。这个区域的另一个特点是，此时化学反应可以具有选择。在这种特例中，化学反应有两个新的稳定状态可供选择，过了线性区域后，A 的浓度在这两种状态下的值是根本不同的。转折点实际上把一种演化历史感引入到反应混合物中来。这是因为，在许多选择中间必须作出一个选择，使得系统能够沿着分叉图上的一定路线演化到目前状态，因而事实上，系统对于它所作出的选择是有“记忆”的。在另外一个容器里生成的混合物可能是不同选择的结果。化学反应在任一时刻只能存在于一种稳定的状态：两条新分支中实际沿循了哪一支，即系统会处在哪一个新状态，完全像抛硬币决定正反面一样，各有百分之五十的机会。我们将在第六章和第七章看到，当系统面临如此众多的选择，也就是相毗邻的稳定态的数目非常巨大的时候，会出现什么样的情形——这时会发生完全不可预测的动力学行为，也就是所谓的决定性混沌。这种行为可以从图 16（b）所示的更广延的分叉图上看出，在这个图上，第一个转折点后面跟着一大批新的转折点。
 
对于在第一个转折点之后会发生什么情况，格兰斯多夫和普里高津的非平衡态热力学只给出了一幅模糊的图像。它暗示某种重要的情况会发生，但对于实际会发生什么，它一点也没有讲。对于一个化学家，这些选择可能意味着一只周期性改变颜色的化学钟，或者试管里显现出的彩色图案。对于一个生态学家，这些可能性也许意味着动物种群中新的稳恒态或交替变化。对于一个医生，它也许意味着一次心脏病发作。为了恰当地处理这些情况，我们必须基于对（例如描述某个化学反应的）不可逆动力学方程的详尽数学研究。这样的动力学方程引人注目的性  
质，以及它们所描述的复杂纷芸、千变万化的作用，是我们将在第六章要讨论的主题。
 
远离平衡时出现的新的状态，可以具有一种令人惊异的有序程度，此时无数个分子在时间和空间中的行为达到协调一致。普里高津把这称作“耗散结构”，因为它们发生在系统和外界之间有物质交换和能量交换的情况下，同时伴有系统的熵产生（耗散）。这些导致耗散结构生成的复杂而相互依赖的过程，共同的名称叫做“自组织”。
 
现在我们可以看到，热力学并不禁止有序结构的自发产生，而第二定律却被普遍错误地认为是朝着无序状态单调地退化的一个代名词。这就是格兰斯多夫和普里高津研究结果的真正意义。1977 年，普里高津获得了诺贝尔化学奖，颁奖书中赞扬了他对于非平衡态热力学的贡献，特别提到了耗散结构理论。
 
如何使耗散结构与“热寂”的概念相符合呢？如果我们的宇宙观草率地应用了平衡态热力学，并忽视了引力的作用，它就会意味着宇宙的演化同义于无情的无序性增长，最终一切变化停止而达到热平衡。但是对于非平衡过程的研究已经表明，一个远离平衡态演化的宇宙，是不能够用如此简单的方式来描述的。在这样的宇宙中，不可逆的非平衡态热力学允许产生自发的自组织结构，使得行星、星系直到细胞、生物得以出现。
 
 

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