涨落现象的一点理解

1、涨落现象的一点理解首先了解一下统计和涨落的关系统计规律：统计规律是对大量偶然事件整体起作用的规律，它表现了这些事物整体的本质和必然的联系。通过对大量微观粒子运动规律的研究，来解释物质的宏观性质称为统计物理学。通过观测发现，在一定宏观条件下，大量的微观粒子的集体运动却遵循着一种规律，人们把这种规律性叫做统计规律性。它不仅对研究热现象有重要的意义，而且在其他自然现象中也是普遍存在的，统计规律是对大量偶然事件整体起作用的规律。它表现了这些事物整体的本质和必然的联系，在这里个别事物的特征和偶然联系退居次要地位。需指出的是，这里所说的个别事物的偶然性是相对于大量事物整体的统计规律而言的，这并不意味着偶然

2、性是无原因的。一切偶然性都有自己的原因。统计规律是以动力学规律为基础的，它不可能脱离由动力学规律所决定的个别事件而存在。但当体系中所包含的粒子数目极多时，就导致在质上全新的运动形式的出现，在这里运动形式发生了从量到质的飞跃。其最重要的特点就是在一定宏观条件下的稳定性，这是由统计规律所制约的。统计规律的另一个特点是永远伴随着涨落现象，统计规律与涨落现象是不可分割的，这正反映了必然性与偶然性之间相互依存的辨证关系。涨落现象fluctuation:当对所研究系统的某一宏观物理量进行测量时，每次测得的实际数值必然会表现出相对于它的统计平均值的偏差，这种现象称为涨落”。有关涨落现象的例子很多，如布朗运动

3、就是一典型例子。布朗运动是分子运动论的重要实验基础，布朗运动的研究对涨落理论的建立起了重要作用。又如液体中的临界乳光现象和光在空气中的散射现象，都是由于媒质密度的涨落引起的。在各种电路中也可以观察到由于带电粒子的热运动而引起的电流涨落现象。如，当用电流计测量微弱的电流时，如果待测的电流小于涨落电流，或待测电流引起的电流计线圈的偏转小于线圈本身的布朗运动，则这种测量将无法进行。涨落是大量微观粒子的一种统计平均行为，是大量微观粒子如分子、原子、电子等无规则热运动的结果。涨落的相对值通常很小，但在有些现象中仍可观察到，并且可能有很重要的影响。普里戈金普里戈金的不满意牛顿纲领与现实世界的这种特别明显的

4、不协调性，强烈地追求一致性的哲学冲动驱使他对牛顿纲领的基础概念、理论前提进行重新考虑。从那时起，一门可以称之为复杂性科学的研究纲领就逐渐出现在新世纪人们的面前。普里戈金复杂性科学的范式经典热力学所研究的都是外在近平衡区的体系，在这个区域内，体系内部所发生的过程都是线性的。这是不是说，时间向下的衰变效果是发生在线性关系中？在远离平衡的区域是一种什么情景呢？普氏的理论告诉我们，一个体系，当它被外力驱使到远离平衡的区域时，其内部占统治地位的是一些非线性关系。这种情况下，体系与处于平衡或近平衡条件下的行为完全两样，它变得对内部或外部发生的小变化（称为随机的涨落和干扰）特别敏感。在外部作用的某些阈值上，

5、整个体系以一种异乎寻常的方式重新组织自己。著名的贝纳德元胞（Benardcells）试验就演示了这个自组织现象。普里戈金的理论告诉我们第一，能量守恒和转化定律并非是问题的全部，它代表了自然的一些温和与可控的方面，在它下面还有一个更加活跃”的层次，这就是化学变化、生长与死亡，它们超出了当量关系和守恒的范围。能量的转化不过是一种差别的消失，同时伴随着另一种差别的产生，只要有差别（如温度差或势能差等）才能产生也是差别的结果。将体系驱使到远离平衡态就是利用了环境的差别，以造成体系内部产生出差别（形成新的结构形态）0因此，只要自然界中有差别，有流动，就会在守恒与转化之外响起创造与毁灭的回声。第二，在经典

6、热力学中不可逆过程往往被当作讨厌的东西，是干扰，是造成时间之矢朝下（无序化）的根源，而在远离平衡的地方却成为从无序、从热混沌到有序的源泉。普里戈金把这种新结构叫做耗散结构，以强调耗散过程（不可逆过程）在这类结构的形成中所起的建设性作用。由于引进了时间”，引进了过程的不可逆性，将演化将历史带进了自然科学，说明自然界不仅是在空间中存在着，而且是在时间中生成并消逝着。普里戈金实现了两个时间方向的统0第三，普氏的新理论还提示了自然界的一个非常重要的方面，它涉及到哲学史上一个长期争论不休的“决定论”问题。首先，新理论指出，在热力学体系中涨落对体系的宏观行为具有重要意义。追寻涨落的本质，它根源于体系内粒子

7、的随机运动（热运动）。物理学家玻恩指出，从宏观尺度看，一切观测都要受到布朗运动（分子的热运动）的限制。这就是说，在宏观层次上，自然界以其涨落的特征给我们的精确观测加上了限制，按普氏的看法，这不是一种实践上的、操作上的限制，而是一种原则上的、理论上的限制。我们在这里似乎遇上了与量子力学类似的境况，在牛顿力学中，这类因素被认为是可以忽咯的偏差，随着测量手段的精确化，没有理由认为不能排除。而在经典热力学中，这类因素却是造成处在近平衡态的体系，必然向平衡态（最大无序态）跑”的原因。从哲学的观点看，这表现为内容上的偶然性具有了形式上的必然性组成体系的每一个个体充分自由的”活动方式，导致体系整体状态的最大

8、无序态。其次在远离平衡区，情况有了惊人的变化。处在该条件下的体系由于受到外部参量的控制，体系内部的“相干性”加强了，因而个体不能以足够随机的方式”动作,但在临界点附近，系统有可能失稳”，这时该点附近的个别涨落有可能在非线性的相互作用下被放大成巨涨落（长程关联出现了），从而导致体系的一种与这个特殊的“个别涨落”有关的新的宏观的有序态。这样一来，体系的演化就不可能完全是“决定论的，对它们的运动规律的描述既要使用决定论的语言，也要使用概率论的语言：首先，体系在外部参量的控制下逐渐达到远离平衡的临界状态，这是一个严格决定论过程，由必然性所支配。一旦体系达到临界状态（又称分叉点），按自组织理论，从本质上

9、说不可能事先决定该体系的下一步状态，而要由这个时刻，处于特定位置的涨落的性质和分叉的稳定性来决定。这样，上述那个由必然性支配的过程受到偶然性的破坏，在分叉点上实现了向新的必然性的转化。这一切构成了体系演化的独特性、个体性，正因为如此、人们不可能以科学观测为依据，对体系的未来行为作准确的预测，至多只能预言可能发生的情况。与体系进一步远离平衡态，常常会出现一种看上去非常混乱的运动状态，如发生过程的不连续性、非周期性、峰值的不规则移动等。表现在刻划该体系的宏观参量出现了不规则的变化，体系变得对初始条件的细微改变异常敏感”。我们可以在化学反应、气候变化、电子电路、心脏突发性病变、股票市场、生态系统等各类系统中发现这类现象。由于它们呈现出高度的不规则性，人们称它们为混沌现象。普里戈金告诉我们，混沌态并不像我们日常理解那样，是一种简单的无序态，而是一种在微观上（个体水平上）分子分布高度的不均匀，在宏观上（整体水平上）呈现出特别丰富的特征空间和特征时间的尺度。这么多尺度交织在一起，相互嵌套。从整体上看就