人民网 >> 观点 >> 学术理论 >> 新论摘要 2002年12月08日09:34


耗散结构理论是如何创立的?
――谈“时间悖论”

沈跃春

    

    1969年,在一次“理论物理与生物学”国际会议上,比利时布鲁塞尔学派的领导人普利高津教授针对非平衡热力学和统计物理学的发展提出了一种新理论———耗散结构理论。从考察耗散结构理论的创立过程中,我们发现悖论在其中起了不可忽视的重要作用。下面,我们就来阐述一下“时间悖论”的发现在耗散结构理论创立过程中的地位和作用。 

    普利高津在爱因斯坦与密希里·贝索之间的通信集中发现,贝索在1940 1955年期间一而再、再而三地提出时间及其不可逆性等问题。爱因斯坦耐心地一次又一次地回答:不可逆性是一种幻觉,是一种主观印象,它来自某种意外的初始条件。贝索对爱因斯坦的回答始终不满意。在80岁高龄时,贝索作了一种尝试,想调和广义相对论和时间的不可逆性。爱因斯坦不同意这一尝试。他说:“你是站在光滑的地面上。在物理学的基本定律中没有任何不可逆性,你必须接受这样的思想:主观的时间,连同它对‘现在’的强调,都是没有任何客观意义的。”当贝索去世的时候,爱因斯坦写了一封动人的信给贝索的妹妹:“密希里早我一步离开了这个奇怪的世界,这是无关紧要的。就我们这些受人信任的物理学家而言,过去、现在和将来之间的区别只是一种幻觉,然而,这种区别依然持续着。” 

    既然“过去、现在和将来之间的区别只是一种幻觉”,那么,为什么说“这种区别依然持续着”呢?难道这不是一个悖论?“时间悖论”的发现使普利高津深深地迷住了“时间”。他看到“时间悖论”的形成有其深刻的思想基础。他说,虽然“相对论和量子力学带来了思想上的伟大革命,但基本没有改变这个经典物理学的观点。在动力学中,无论是在经典的、量子的,还是相对论的动力学中,时间只是外部的一个参量,它没有什么优惠的方向。在动力学中,没有任何东西能够区别过去和将来。”在动力学中,时间概念只有简单的意义。它与我们所处的三维空间一样,仅被看做描述物理过程的时空行为的第四个坐标。在经典力学中,不会出现“时间箭头”;时间本质上只是描述可逆运动的一个几何参量。在量子力学和相对论力学中,它们的基本方程都是时间反演对称的;传统力学给出了一个可逆的、对称的物理图像。然而,热力学则提供了一个与之不同的物理图像。20世纪以来,热力学的发展给物理学带来革命性的变化。热力学第二定律表明:一切与热现象有关的实际宏观过程都不是可逆的。于是,时间的不可逆性和不对称性就进入了物理学研究范围。例如,一根与外界绝热的金属棒,如果初始时棒上各点温度不均匀,随着时间的推移,高温部分将把热传给低温部分,最后达到棒上温度均匀分布;没有外界的传热作用,棒上的温度分布永远不会回到初始状态。其实,热力学给我们提供了一幅带有“时间箭头”的物理图像。 

    “时间悖论”的发现,促使普利高津选择一种新的理论框架。当普利高津根据自己的科学实践把热力学第二定律放在科学史上予以重新考察时,他又发现由克劳修斯从热力学第二定律引出的结论与达尔文创立的生物进化论存在着尖锐的矛盾。因为,热力学第二定律揭示了自然界普遍存在着可逆和不可逆两种过程。它告诉人们:物质的演化总是朝熵增加、向混乱的方向进行。可是,进化论则告诉我们:生物的进化总是由低级到高级,朝熵减少、向有序的方向进行。前者给出了“宇宙热寂说”的结论,即退化的时间箭头,而后者则与之相反,给出了进化的时间箭头。 

    那么,自然界到底是往无序还是向有序的方向发展变化呢?这个带有根本性的问题严峻地摆在物理学家面前。普利高津“被科学在看待时间的方法上的巨大矛盾惊呆了,正是这个矛盾促使他从此开始了他一生的工作”。他认为,要把热力学和动力学,热力学与生物学统一起来,就必须研究自然界中存在的远离平衡态的有序结构、生物和生命现象,必须朝着更为普遍的热力学理论方向发展。他坚信,在一定条件下,不可逆过程会产生令人讨厌的消极作用,但在另一类条件下,对不可逆过程的研究可能会带来理论和实践上具有重大意义的结果。这个信念坚定以后,普利高津在认识上产生了重大飞跃,而这个飞跃则为他后来建立耗散结构理论奠定了思想基础。 

    1945年,普利高津在原有理论基础上得出最小熵产生原理。这一原理和翁萨格“倒易关系”一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。这项成功促使他试图将这一原理延拓到远离平衡的非线性区。但是,经过多年努力,这种尝试以失败告终。 

    在挫折面前普利高津并未后退,他把系统在远离平衡与平衡态和近平衡态做了原则区分,重新考察系统在远离平衡态的情况。经过20多年的努力,他终于与布鲁塞尔学派的同事们创立了一种新的关于非平衡系统自组织理论———耗散结构理论。 

    按照耗散结构理论,一个远离平衡的开放系统,无论是力学的、物理的、化学的、生物学的,还是社会的、经济的系统,如果某系统不断地与外界交换物质和能量,在外界条件变化过渡到一定程度,系统内部某个参量变化过渡到一个临界值时,经过涨落系统可能发生突变,即非平衡相变。那么,该系统将会由原来的混乱无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。由于他对非平衡势力学特别是耗散结构理论所作的重大贡献,所以普利高津于1997年荣获了诺贝尔化学奖。


来源:《中国青年报》 2002年12月08日
(责任编辑:刘锋)


 
 
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