热力学第二定律与耗散结构理论：从无序到有序的科学解释
热力学第二定律与耗散结构理论：从无序到有序的科学解释
热力学第二定律是物理学中的一个基本定律，它描述了自然过程的方向性和不可逆性。然而，在现实世界中，我们却可以看到许多从无序到有序的现象，如雪花的形成、激光的产生以及生命的演化。这些现象如何与热力学第二定律相协调？答案在于耗散结构理论。本文将详细介绍热力学第二定律和耗散结构理论，探讨自组织现象在不同系统中的表现，并分析耗散结构的形成条件。
热力学第二定律与耗散结构理论
热力学第二定律说明了孤立系统中的自然过程有方向性：孤立系统总是从有序状态向无序状态发展，熵（无序度）总是增加的。但是，自然界实际上也存在许多过程：退化（克劳修斯）和进化（达尔文）。生命过程就是一个从无序到有序的进化过程。
1967年，比利时物理化学家普利高津（I.Prigogine）创立了耗散结构理论，并于1977年获得诺贝尔化学奖。该理论解释了开放系统中如何通过自组织现象实现从无序到有序的转变。
自组织现象
无生命开放系统的自组织现象
自组织现象是指开放系统内部由无序变为有序，使其中大量分子或单元按一定规律运动的现象。例如：
- 六角形的雪花：水分子在低温下结晶形成的规则结构。
- 鱼鳞状的云：大气中水蒸气凝结时形成的规则图案。
- 激光：当能量超过某一阈值时，原子“集体一致行动”，发出频率和位相都相同的光子，形成高度有序的光束。
生命过程的自组织现象
生命过程中的自组织现象更为复杂和精妙。例如：
- DNA分子：由脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）组成的双螺旋结构，具有高度的有序性。
- 蛋白质分子：由成千上万个氨基酸分子按一定规律排列而成的大分子链，其有序结构决不是随机形成的。
- 生物形态：树叶的规则形状、动物毛皮的花纹、蜜蜂窝的六边形结构等空间有序现象；候鸟的迁徙、中华鲟的洄游等时间有序现象。
社会现象的自组织现象
社会系统中也存在自组织现象，例如城市的形成和发展。城市作为开放系统，通过与外界的能量和物质交换，逐渐形成有序的结构。
开放系统的熵变
开放系统是指与外界有能量和物质交换的系统。其熵变由两部分组成：
- 熵产生（diS）：由系统内部的不可逆过程引起。
- 熵流（deS）：由系统与外部的能量和物质交换引起，可正可负。
当系统从外界接收负熵流（deS<0），且|deS|>diS时，系统的熵dS=diS+deS<0，系统就可能由无序变到有序。
远离平衡态的分叉现象
平衡态热力学主要研究平衡态的性质；线性非平衡态热力学研究近平衡态的情况；非线性非平衡态热力学则研究远离平衡态的情况。当系统远离平衡态时，可能会出现自组织现象。
耗散结构的形成条件
形成一个耗散结构必须满足以下五个条件：
- 开放系统
- 远离平衡态
- 涨落突变
- 正反馈
- 非线性抑制因素
以激光器为例：激光器需要输入足够的功率（开放系统）才能造成粒子数反转的状态（远离平衡态）。当有能量的一个光子入射时（涨落）可以引起受激辐射光放大出来两个全同光子。但激光的强度不会无限增大下去，因为光强增大时粒子数反转的程度会减弱（非线性抑制因素）。
热寂说的局限性
传统的热寂说认为宇宙最终会达到最大熵的状态，但这一理论存在局限性：
- 宇宙不是孤立系统，不能简单套用热力学第二定律。
- 宇宙是无限的，热力学第二定律是在有限范围得出的规律。
- 天体物理学研究表明，宇宙在膨胀过程中，自引力系统由于涨落会从密度均匀状态变成团块结构的星体，这过程中热力学概率是增加的，熵没有极大值，宇宙不会热寂。
生命与耗散结构
生物是远离平衡态的开放系统，生命过程是一种耗散结构。物种的产生具有偶然性，但一旦形成，就会通过自然选择等机制进行保护和演化。