时间的观念
普里戈金力图告诉人们,热力学第二定律虽然指明任何系统的终态都是热平衡,但是,这并不意味着系统一直均匀地处在混乱之中。事实上,它并不禁止有序结构的自发产生。但经典热力学只涉及演化的终态,不能用来描述演化过程。它只告诉你有时间之矢,但时间之矢究竟怎样表现,它就无法说明了。
普里戈金首先发现,在接近平衡态的线性表现良好的区域,热力学系统的熵增降到最小值。比如给一箱气体分子加热,它并不马上变得完全无序,而是先形成一个温度梯度。如果这个温度梯度足够小地被保持着,因而使系统保持在线性区,则会导致更加奇妙的现象。这个温度梯度将驱动分子流动,慢慢形成一个浓度梯度,而且温度梯度与浓度梯度成线性关系。系统开始处在稳恒态,耗散处于最低状态。这就是所谓最小熵定理,是普里戈金于1947年在他的博士论文中提出的。它表明:“当给定的边界条件阻止系统达到热力学平衡态(即零熵产生)时,系统就落人最小耗散’的态。”〔1〕
在远离平衡态即线性已遭破坏的情况下,这种最小熵现象还会不会发生呢?这是一个完全未知的领域。普里戈金和他的学派花了二十年终于搞明白了,“在远离平衡态的系统中,热力学行为与用最小熵产生定理所预言的行为相比可以颇为不同,甚至实际上完全相反”〔2]。此时,正像第二定律所说的,系统的熵增加得相当快,然而,与此同时,更高级的有序结构也出现了。玻尔兹曼的最大配容数原理在这里不再有效。这里的前提是,系统对外界开放,系统本身所产生的高熵被及时地输送到外界,而自身保持在有序状态。这种通过与外界保持开放而将自己维持在远离平衡态的有序状态的系统被称为耗散结构。
这是怎么一回事呢?当温度梯度以及浓度梯度朝着远离平衡态的方向增加时,原先的稳恒态变得不再稳定,当超过一定的临界值时,系统可能会出现高度有组织的时空行为,比如规则的图案和花纹的周期变化。这里重要的是,在临界点(或者分叉点)之后的行为预测不是决定论的。
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(1〕普里戈金:《从存在到演化》,曾庆宏等译,上海科学技术出版社1986年版,第83页。