6.熵与耗散理论

熵与耗散理论1.普利高津的耗散理论1967年普利高津提出了“耗散结构”理论，该理论的一个基本观点是，一般的非平衡热力学理论属于线性理论，是用热力学系统在各局部区域的能量、熵随时间变化的线性微分方程描述的.这些方程只适用于偏离平衡态不远的情况，但是当热力学系统远离平衡态时，局部区域之间将出现非线性的相互作用，引起反常的涨落，这种涨落通过外界能量和负熵的输人而得到加强，引起了所谓的正反馈放大，使系统从原来的无序状态转变为时间、空间或功能上的有序状态.这种有序状态只要不断与外界交换物质和能量，就不会因外界的微小扰动而消失.正是由于这种状态靠外界的能量和负熵的输人来维持，故称为“耗散结构”.而这种自发有序结构的形成为“启组织现象”.自组织现象典型的例子有:别洛乌索夫—扎包廷斯基反应、免疫网络调节、糖酵解、液晶和贝纳德反应等.耗散结构理论是非线性的非平衡热力学理论，虽然该理论还不很成熟，但已经在生物、物理、化学、工程和哲学等领域得到了广泛的应用.耗散理论的诞生是熵得到深化的标志，比利时科学家普利高津于1969年在《结构、耗散和生命》论文中首次提出了耗散理论.它适用非平衡态热力学过程，是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的理论.该理论认为一般的非平衡态热力学理论属于线性理论，是用热力学系统在各局部区域的能量、熵随时间变化的线性微分方程描述的.根据这个观点，从非平衡态熵开始，把热力学从平衡态拓展到非平衡态，进而远离平衡态.在远离非平衡态的区域，系统要借助外界的能量流、质量流和信息流（吸收负熵）而维持时间、空间、或者是功能上的有序状态.这种有序状态只要不断与外界交换物质和能量，就不会因外界的微小的扰动而消失.正是由于这种状态靠外界的能量和负熵来维持，故称之为“耗散结构”.现在耗散结构理论已经被广泛应用到了流体力学、化学和生物学研究之中.正如物理学家爱因斯坦所言，“熵理论对于整个科学来说是第一法则”.2.生命系统是熵减系统一切生物系统都不可能是封闭的，它们通过呼吸、进食、排泄以及放出热量、吸收热量和对外做功等活动与外界不断进行着物质和能量的交换.因此任何生物体都是一个开放的系统.根据上述平衡方程，若生物体从外界获得熵流且，生物系统的熵变，有序程度将增加.这就意味着生物体从一定的有序结构上升到更高的有序结构，生物体就成长了.若生物体从外界获得的熵流.系统熵变，系统维持在一定的有序结构上，生物体就稳定在成熟阶段.若生物体从外界获得的熵流.那么生物体的熵变，生物系统熵增加，生物便开始退化、衰老.当生物体的积熵达到最大时，整个机体呈现高度混乱状态，生命的有序活动即无法维持，这就是机体的死亡.如果生物系统出现短期或局部的熵积累过多，出现了局部的混乱状态，这就会造成生物体处于病态之中了.从物理的角度看，各种医疗手段的目的都在于使病灶恢复有序状态，也就是清除多余的“积熵”.薛定谔《生命是什么？》中说的“生命以负熵为食”，实际意思是吸收低熵的物质，通过新陈代谢排泄出高熵的物质，因而使系统的总熵减少，这个过程就称为吸收负熵.熵增原理是说孤立系统中的自然过程，总是向着熵增的方向发展.如果系统是开放的，则系统与外界交换熵，使系统的熵可能增加、可能减少、也可能不变.宇宙那么大，整体不可能达到平衡状态，在存在非线性作用时，它的局部涨落可以非常大，每个局部也不可能是孤立的，可以从周围吸收负熵，使局部系统处于远离平衡态的低熵的有序状态，这就是耗散结构.晶体生长、生命的延续，都是吸收负熵的结果，这样的系统不可能是孤立系统，而必须是开放系统，这样才能从周围吸收负熵，维持低熵的有序状态.3.熵增理论与人类社会发展发展必须靠一定的资源基础和环境容量来支撑.人口的增加、经济的增长、福利的提高都是以一定资源的消耗和一定程度的环境恶化为代价来实现的.根据熵定律，每当一定的有效能量被消耗掉，周围环境的混乱就会增加.现代工业社会的巨大能量流量，给我们居住的世界带来了一定程度的混乱.技术现代化的进程越快，能量转化的速度就越高，有效能量就消耗得越多，混乱程度也就越大.资源和环境的承载力是有极限的，正因为如此，我们才要对资源与环境进行有理性、有节制和有远见的管理，使资源的消耗和环境的恶化控制在一定限度内.否则，系统无疑将走向崩溃、混乱以至发展停滞和倒退.人类社会的存在有赖于它所处的自然环境，这是因为构成社会每一个基本成员的人本身是一个耗散结构的系统.他们需要不断从周围环境中摄取能量和物质，同时也向周围环境排出能量和物质.如果这一过程能够与大自然形成一个稳定的循环链，即大自然能够向人类提供所需的物质，同时又能够分解、处理人类排出的物质，则人类的生存环境将会处于某种稳定的状态之中.这个循环链的形成有赖于自然界清除由人类活动造成积熵的能力.而我们地球的一切这种能力均来自太阳的光照.地球从太阳光中获取高品质的有序能量，从中得到负熵并用以消除生态环境和其他自然过程中的积熵.因此人类如何规范自己的行为，把自己的一切活动都纳人这一生态循环链中来考虑，这对个人说是一个世界观的问题:对社会来说就是一个生存观的问题.卢鹤绂是已故中科院资深院士，复旦大学著名物理学教授.上世纪40年代他在西南教书，一次在室外，他无意中拣起一块石子，投入静静的小溪里，忽然他的眼睛亮了：那一石激起的涟绮的圈圈散开，又复归平静----复归与不复归的模式，在他心中激起巨澜：19世纪的物理大师斯托克斯，建立的那套理论气体容变压缩理论，用到现实的流体就不理想了，但很多年无人解决.卢教授想，流体受到外力容变以后