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耗散結構體系

放大字體  縮小字體 發布日期:2006-09-16
    1968年,比利時化學家Prigogine I R在歷經了近20年的探索以后,提出了耗散結構理論。他指出:一個開放體系在達到遠離平衡態的非線性區域時,一旦體系的某一個參量達到一定閾值后,通過漲落就可以使體系發生突變,從無序走向有序,產生化學振蕩一類的自組織現象。這里,實質上是提出了產生有序結構的以下四個必要條件:

開放體系 這樣才可能同外界交換物質與能量形成有序結構。具體說來,這樣才可能從外界向體系輸入反應物等來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,才可能從體系向外界輸出生成物等來使體系無效能不斷減少,即無序度或熵量不斷減少。前者是向體系輸入負熵,后者是從體系輸出正熵,從而使體系的總熵量增長為零或為負值,以形成或保持有序結構。輸入負熵,是消耗外界有效物質與能量的過程;輸出正熵,是發散體系無效物質與能量的過程。這一耗一散,也就成了產生自組織有序結構的必要條件。因此,自組織有序結構也就可以稱為耗散結構。顯然,耗散結構在非開放體系中是不可能形成或保持的。

遠離平衡態 這樣才可能使體系具有足夠的反應推動力,推進無序轉化為有序,形成耗散結構。例如在恒溫恒壓條件下,可以使反應物濃度遠高于平衡濃度,生成物濃度遠低于平衡濃度,從而在實際濃度與平衡濃度間造成巨大濃度差,以推進化學振蕩反應的產生。相反,如果在平衡態,則實際濃度與平衡濃度相等,二者之差為零,反應推動力為零,反應已經達到極限,反應體系的濃度已經不再隨時間變化發生任何變化,即已經達到“時間終點”。因此,也就不可能產生濃度隨時間空間而發生周期性變化的化學振蕩現象。此外,在平衡態,體系的熵量已經增至極大,無序度已經增至極大,從而也不可能產生有序。所以 Prigogine I R說,非平衡是有序之源。形象地看,這好比是往咖啡里面加牛奶,達到平衡時的最后狀態只能是一碗混沌無序的灰色渾湯。但是在達到那個狀態以前的非平衡態,則白牛奶在黑咖啡里排演了多少瞬息萬變的漩渦花樣和結構!可見,有序的生機是在遠離平衡態時萌動的。

非線性作用 即體系內各要素之間具有超出整體是局部線性疊加效果的非線性作用,是一種所得超所望的非線性因果關系,即一個小的輸入就能產生巨大而驚人效果。這樣才可能使體系具有自我放大的變化機制,產生突變行為和相干效應、協同動作,以異乎尋常的方式重新組織自己,實現有序。相反,如果只是具有線性作用,要素間的作用只能是線性疊加即量的增長而不能產生質的飛躍和實現有序。

這種非線性作用,在化學體系中是體現在反應鏈上存在著自催化或交叉催化的環節,即某些反應物分子的一個生成物正是它們自身所需要的催化劑,從而使反應速率達到雪崩式的加快(自催化);或屬于兩個不同反應鏈上的兩個產物能各自催化對方的反應(交叉催化),其結果是可以產生一種難以控制的劇變行為。這種自催化或交叉催化產生的劇變行為,在技術控制論中被稱為正反饋,即某種對于指定參考值的偏差不僅未能消除反而得到加強的行為。在化學振蕩反應中,正是由于具有了正反饋,才使體系得以造成失穩、活化、放大成“化學鐘”里的前后呼應的顏色變化,產生周期性的振蕩。實際上,正反饋是一種自我復制、自我放大的變化機制,因此才能使億萬分子的微觀行為像得到指令般地協同動作并在宏觀上實現有序。可見,正反饋、自催化或交叉催化或非線性的相互作用,是產生化學耗散結構的不可缺少的動力條件。

漲落作用 即體系中溫度、壓力、濃度等某個變量或行為與其平均值發生偏差的作用。體系具有漲落或起伏的變化,才能啟動非線性的相互作用,使體系離開原來的狀態,發生質的變化,躍遷到一個新的穩定的有序態,形成耗散結構。因此,漲落是一種啟動力,漲落導致有序。漲落主要是由于受到體系內部或外部的一些難以控制的復雜因素干擾引起的,帶有隨機的偶然性,然而卻可以導致必然的有序。這就再一次表明,必然性要通過偶然性來表現,偶然性是必然性的補充。

 
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