自组织现象

自组织现象：经典热力学指出，在孤立系中，即使初始存在某种有序或差别，随着时间的推移，由于不可逆过程的进行，这种有序将被破坏，任何的差别将逐渐消失，有序状态将转变为最无序的状态——平衡态，此时的熵达到最大。热力学第二定律又保证了这种最无序的状态的稳定性，它再也不能自发的逆向转变为有序的状态了。对封闭系统，例如某恒温定体的系统，平衡态时自由能最小。F=U－TS在低温情况下内能的贡献可能成为主要因素，当温度下降时，由分子排列的某种有序化引起的内能的下降对自由能的贡献，有可能超过由熵下降而造成的自由能的增加，于是系统有可能处于一种低内能低熵的某种相对有序状态，但无论有序无序其出现的概率都是最大的。这是平衡态统计理论的基本假设——等概率假设决定的。按照上述观点解释液体和固体中有序结构的形成的理论称为波尔兹曼有序原理。低温下在液体和固体中出现的这种有序结构称为平衡结构。波尔兹曼有序原理无法解释生物中的有序现象。自然界中约有20种不同的基本氨基酸，若按等概率观点，那么形成某种特定的氨基酸残基排列方式的蛋白质分子的概率是极小的。例如一个具有100个氨基酸残基的蛋白质分子，20个不同种类的氨基酸残基可有10130种排列方式，若按等概率观点，要想得到某种特定结构的蛋白质分子的概率为10-130，不可能出现。假设蛋白质分子中氨基酸残基的排列方式可以自动调整，每秒可以变换106次排列方式，也要等待10124S，地球的年龄为1017S，与实际情况不符。实际上，在生命过程中，从分子和细胞到有机个体和群体的不同水平上，无论在空间上还是在时间上都呈现出了有序现象。概括起来，一个系统内部由无序自发变为有序，使其中大量分子或单元按一定规律运动的现象，称为自组织现象。按照达尔文的生物进化学说及社会学家关于人类社会进化学说，发展过程总是趋于种类繁多，结构和功能变的复杂，生物体系和社会体系趋于更加有序更加有组织，而不是象经典热力学对于孤立体系所描述的那样，总是趋于平衡或无序。人们曾经把这种不一致解释为，生命现象与非生命现象由不同规律支配。无生命世界中的自组织现象：天空中的云会排列成整齐的鱼鳞状（细胞云）或带状间隔排列（云街），高空中的水蒸汽凝结会形成非常有规则的六角形雪花，火山岩浆形成的花岗岩中，有时会发现非常有规则的环状或带状结构。激光的发明生命世界中与无生命世界中的自组织现象促使人们认识到，这两个世界在这方面遵循相同的规律。耗散结构与非平衡态热力学自组织现象说明，系统在外界持续的作用下，被驱使到远离平衡的状态，当外界作用超过一定的临界值时，系统的状态将发生突变，从而进入一种空间或时间有序状态。由于这种有序的结构是靠不断消耗外界的能量和物质的条件形成和维持的，因而称为耗散结构。研究系统从无序到有序的转换规律，热力学的这一分支称为非平衡态热力学。（线形非平衡态非线形非平衡态）2.熵与热寂威廉.汤姆孙在1852年首先提出热寂说，他在关于自然界中机械能耗散的一篇论文中提出：在自然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使温度拉平，最终导致所有的物体的工作能力减小到0，到达热死状态。他在1862年发表的关于太阳热的可能寿命的物理考察的论文中，更明确提出：热力学的第二个伟大的定律孕含着自然的某种不可逆作用原理，这个原理表明虽然机械能不可灭，却会有一种普遍的耗散趋向，这种耗散在物质的宇宙中会造成热量逐渐增加和扩散，以及势的枯竭，如果宇宙有限并服从现有定律，那么结果将不可避免的出现宇宙静止和死亡状态。克劳修斯在1865年也提出：宇宙的熵趋于一个极大值，那时宇宙将处于某种惰性的死寂状态。汤姆孙与克劳修斯将宇宙视为有限、孤立的绝热系统，并得出以上结论，在物理学界引起了百余年的激烈争论，一些物理学家认为，把以地球上的实验为根据建立的原理推广到整个宇宙，是很难置信的。恩格斯在1869年给马克思的信中曾严厉批判过宇宙热寂说，他说：“既然这种理论认为现在世界上转化为其他各种能的热能的数量日益超过可以转化为热能的其他各种能的数量，那么，作为冷却的起点的最初的炽热状态自然就无法解释，甚至无法理解，因此，就必须设想有上帝的存在了。”他指出：宇宙达到热平衡，热运动能量已无法在转换，已不成其为能量，即能量被消灭了。能量具有永恒的转换能力，“放射到太空中的能量一定有可能通过某些途径转变为另一种运动形式。“热寂说”的要害在于忽视了引力场在宇宙演化中的作用。在天体物理领域，引力效应起着举足轻重的作用。引力的影响相当于使系统受外界的干扰，均匀分布的物质可以由于引力的效应演变为不均匀分布的团簇，由于引力的干预，使得实际的广大宇宙区域始终处于远离平衡的状态。因此，热力学第二定律并不适用于宇宙。