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培养自组织_奇点天文奥秘

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培养自组织_宇宙时间奥秘
 
 
最简单的过程中可以出现意料不到的非线性效应。上章我们见到热扩散的例子(图 15):当两种气体的混合体由于加热而离开平衡态后,组织便会似一种简单浓度梯度的形式出现。那里,离平衡只少许的偏离便可导致宏观的秩序。然而此种现象,如果跟当系统离开它第一临界点以后,自发涌出的壮观的组织比起来,仍是小巫见大巫。夹在两片玻璃之间的一薄层液体,对它加热就可以使组织出现,形式是六角形对流单元组成的蜂巢结构。这对任何一个因循传统的、基于平衡的世界观的人来说,是一件很惊奇的现象。我们总以为加热越多,液体里的分子便会跑得越快、越乱,怎么反而出现结构了呢?
 
蜂巢状的自组织是法国科研者贝纳(Henr Benard)于 1900 年首次发现的。1916 年瑞利男爵(Lord Rayleigh)试予解释。现在我们知道它是来于所谓“瑞利-贝纳流体力学不稳定性”(参见彩色插图)。
 
实验是把液体盛在一个透明碟子里,把碟子放在像烧菜用的电炉一类的热源上。热以传导或对流或两者兼有的方式从碟子的底部升到顶部。在加热以前,液体看上去是平静的,尽管微观层次上是分子在作或多或少的随机运动。一旦加热,液体在垂直方向便产生一个温度差。然而液体在宏观层次上依然是静止的,直到顶部和底部之间的温度差达到  
某个阈值之后,情况才会改变。阈值未达到以前,热的输送只是以传导的方式进行。超过阈值以后,对流开始,底下较热的液体流入上面较冷的部分。在此同时,蜂巢图案由于浮力、热扩散、粘滞力三者之间的耦合而产生。
 
如果按照基于平衡的想法,我们便会以为加热越多,不计其数的分子便越是在碟子里到处乱蹿。可是,看一下彩色插图就知道,蜂巢结构是远比加热以前的情况更有组织。蜂巢结构的尺度是个别分子之间距离的一亿倍。为了形成这个蜂巢状的对流单元,无数分子必须在如此巨大的尺度上“齐步运行”。只要把温度差保持着,这个蜂巢结构肉眼就看得见。热的耗散把熵从系统中输出,而使蜂巢结构维持下去。
 
如用热动力学的描述,六角单元出现的温度就是上章讲到的临界点或分叉点。在该点,系统有两条路可走。例如在瑞利-贝纳不稳定性的情况下,邻近单元具有相反方向的对流运动。温度一旦超过临界值,这些单元便肯定出现,这是毫无疑问的。可是单元旋转的方向是不能预测的,它是每次实验微观层次里,许多控制不了的涨落升级到宏观层次的结
 
果。普里高津的同事尼古力斯(Gregoire Nicolis)说,该现象是出于“偶然性和决定性之间一件出色的合作”。
 
要培养出自组织,涨落是必需的种籽。在离平衡态不太远的地方,液体中的对流很小,很守规矩,作用不大。这时涨落像临死的人说的耳语,很快地就消失了。但是如果存在有反馈,这句耳语就会变成狂吼。在远离平衡的状态之下,系统的各种非线性性质将把微观对流放大成覆盖整个碟子的组织,形成一个液体的蜂巢。有些人想用热动平衡的语言来解释这个现象。但这种语言对比方说冰晶那种单调的规则重复还可以应付,要它来描述像瑞利-贝纳细胞组织那种“非静止的”、耗散式的结构,是完全做不到的;这个组织只是液体在加温状态之下才能存在。
 
大多数的化学家和分子生物学家对世界的看法,是着重个别分子的活动。这种办法对许多处于平衡状态的系统来说是很有效的。可是它表达不出一个具有自组织的介质里的分子和分子之间的“信息交流”。处于平衡状态的冰,分子间彼此影响的作用范围不超过一亿分之一米,而出现在耗散式系统的结构相对庞大得多,大到厘米的量级——这种动态结构类似成千上万的冰箱以同样的速度制造冰块,类似全纽约的居民同时在做同一个体操动作。
 
然而自组织并没有什么玄奥;下面将会说明,它是在远离平衡态的情况下,含有时间之箭的物理定律的必然后果,尽管这是个出人意料的后果。我们的兴趣并不是在“时间的尽头”平衡热力学统治一切时,某个个别化学反应的去向;我们感到兴趣的是,在到达平衡态的途中,亿万个分子居然会如此步伐协调,在空间形成宏观的图案,在时间上出现大规模的振荡。  
要知道这是何等出人意料之外的事,设想一辆载满网球的卡车,一半网球是白的,一半是黑的,均匀地混在一起。对液体加热就相当于把卡车开在高低不平的道路上,使网球剧烈地相互碰撞。设想网球在这沸腾状的合中,居然排出了一个规则的图案,好比说,所有黑网球都跑到车子的一端,所有白网球都跑到另一端。瑞利-贝纳细胞组织所显示的大规模秩序是同样地令人注目:它意味着巨大数目的个别分子在时间和空间上的同步行动。真正比起来,后者是更令人惊讶的,这些分子形成的结构,相对来说,远超过网球的图案。看上去好像是,在离平衡态足够远的场合,每个分子都有同一个时间感,都按照那个时间齐步动作。整个系统变活了——它不能再被看为一群四面乱跑的分子。液体中的这些分子自发地自我组织起来了。
 
 

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