显然，当Re不断增大时，(：)则出现不规则的湍流运动（见图2， 2.2(d)、(e))。这反映了系统从简单到复杂的演化过程。 ·三、激光器 在一块带有两个反射镜的红宝石激光器中，当用领灯照射时， 就能激发原子发光。当氯灯能通量较小时，激活原子彼此独立地 (即无规则地)发出不相干的光被列，激光器就像一只普通的灯， 发射光的电场强度E构成一个随机放，如图2.2.3(a)所示，其传 播方向呈播射形。当功率超过某个临界值时，便发出激光，发射光 的电物强度E是正兹被（见图2.2.3(b))。当功率超过更大的临 界值时，原来的连续激光则变成了极短的有规律的脉冲藏光（见 图2.2.3(c)),从而经历了一次又一次的突变过程。当脉冲随时 间：作周期变化时，在空间X上就形成一个孤立子(Soliton）,如图 2.2.3(d)所示。这种激光作用既能出现在人造藏光器中，也能出 现在自然状态的屢际空间中。 ()随机被 (b)正弦被 ©)脉冲 (d觅立子 图2.2,3激光器电场强度随通量的变化 17
§2.3振荡化学反应 不仅物理学中存在着一些复杂现象，而且化学中也存在着复 杂现象。然而，长期以来，化学家们一直相信，无论经过何种化学 变化，其最终将会导致一个类似于平衡态的、均匀的、不随时间变 化的状态的出现。若出现了一点偏离，反面怀疑实验方法或其他 什么原因。实际标上，上面的情况常常出现在孤立系统的化学反应 中。 假如在化学反应中，为了使反应达到定态，则要求以不同速率 向体系输人反应物或输出产生物，这时就会出现完全不同的情况。 最典型的例子就是贝洛索夫-札伯廷斯基(Belousov-Zhaobotinsky) 反应，简称BZ反应。这个化学反应是，在侧化剂铈（或铁、锰） 离子的参与下，丙二酸被溴酸盐氧化，结果发现所生成的产生物的 浓度随时间周期地变化：一会儿呈红色，一会儿是蓝色，一会儿是 红色，再一会儿又变成蓝色，像钟摆一样作周面复始的有规则的时 间振荡，周期为30秒，可持续50分钟之久，这类现象称为化学擐 荡或化学钟。当时BZ反应这种属于无机化学领城内的振满反应 大大出乎人们的意料，这里的化学振荡现象在很长时间里不被大 多数化学家所认可，因为根摆热力学的传统观点，化学反应应当单 向地不可逆地趋于平衡态，即使从经典化学动力学观点来看，BZ 反应中的振荡现象的出现也是不可思议的。自混沌现象发现后， 有时在实验中也会观察到非周期的过程，请如各种类型的分岔和 混沌行为。实践中，人们还把“周期和混沌的交替出现“列为一条 新的通向湍流的道路，这就是通常所说的化学溜流。实验还发现， 在某些条件下，成分的浓度在空间上也很不均匀，呈现出很多漂亮 的花纹，像被一样在介质中传播，这十分类似于在生物体中的生物 服荡和生物形态现象。这种浓度变化的不规则性，并非由子实验 条件的不确定性或测量仪器的不准确性所致，而完全是由系统内 18
部反应动力学机理所决定的。 §2.4生物系统的自组织现象 自然界生物种类极其繁多，形态各异，功能复杂，构成了绚丽 多彩的生物世界。生物界是自然界中般富有生气和最具神秘感的 便城。 众所周知，玻尔兹型原理虽然对于解释平衡结构的形成和维 持是成功的，然而，当用它来说明非平衡的有序结构（如生物有 序)时却遇到了极大的困难。例如，生物体的有序不能靠降低自 身祖度而获得，也不能常与外界环境的隔离而维持。 按照经典的平衡态热力学观点，无论是孤立系统的无序的平 衡态的形成，还是平衡态的有序结构的形成，系统的各个微规组春 都是等概率的，平衡态都是对应于相应条件下的最可几宏观的状 态。对于生物体来说，它是由分子、细胞、组织、器官、个体、群体等 按各种要求和层次组成的，它在各个层次上都表现出有序性。如 果按上述规点，这种有序性的形成几乎是无法实现的。因此，生物 确实是在远离平衡态的条件下生存的。一部生物进化史，就是生 物从原始的比较均匀的无序结构发展为高级的不均匀的有序结构 的历史。 同时人们也认识到，生物之间以及生物和环境之间具有相互 依存的关系，这种依存关系往往又是非线性的。例如大鱼吃小鱼， 若是线性关系，只能是小鱼多，大鱼就多。而事实并非如此。大鱼 多了，小鱼被吃掉的多了，小鱼就减少：小鱼少了，大鱼就没有足够 的食物，大鱼也就要诚少。因此大鱼和小鱼的数量构成了一种周 期性的振荡。除了这种相互依存的关系以外，在许多生态系统中 还存在着明显的协同现象，例如，野兔靠植物为生，山猫常捕捉野 兔生存，构成了非平衡有序绪构，这种相互竞争的协简作用便造成 了野兔数和山猫数随时间而发生的“周期振荡”的结观有序现象。 19
生物的种群数目除了周期性变化外，也可能在一段时期内处于稳 定的数值上，也可以是非周期性地变化。 §2.5非平衡的宇宙 上面介绍的物理、化学、生物中所出现的复旅现象，在整个宇 宙中同样也会出现。19世纪热力学第二定律的提出将人类的认 识水平向前大大地推进了一步。但克劳修斯(Clausius)和汤姆逊 (Thomson)等人却把仅对孤立系统遁用的热力学第二定律推广到 整个宇宙，从而得出了“宇宙热寂论”这一荒课的结论。他们认为 整个宇宙都在发生着嫡的增加，一一切物体的热量只能由高温流向 低温，最终其温度差消失，压力也变得均匀起来，甚至预有装个宇 宙达到热平衡，塘达到最大值，可以做功的热量也消失了，一切变 化（如恒垦的发光、发热、地球上的风、雨、雾、雪和电等）都将不 可能发生，因此整个宇宙都停止变化。而现实的字宙则不然，因为 在世界上，根本找不到一小块其内部是绝对均匀、绝对无序的物 质。例如大至星系，小至分子、原子、原子核都并非是绝对的均匀 体，它们的结构具有各自不同的特点。星云就是从密度极稀的里 际弥漫物质中集结起来的。在漫长的集结过程中，从而形成了物 质密度高度集中的恒星群。 20世纪量子力学和相对论的确立，对整个科学领域的宏观与 微观的认识产生了深远的影响。由于量子力学和相对论把普适常 数c和h归并到经典力学的框架之中，故而相对论和量子力学似 乎仍坚持牛顿力学所表达的世养观。但近半个世纪以来，情况已 经发生了很大的变化。量子力学已经成为处理基本粒子及其变换 的主要工具。相对论同样也受到变革，它已成为研究宇宙热史的 主要工具。 量子力学的创始人之一秋拉克(Dic)应用量子力学和相对 论证明：必须把每一个具有质量m和电荷。的粒子与具有相同质 20
量和相反电荷的反粒子相联系。 众所周知，当粒子与其相对应的反粒子磁撞时，将彼此湮灭， 产生光子。由于光子是具有能量和投有质量的粒子，所以波动方 程表征了粒子和反粒子的交换其有对称性。但在现实世界中，却 存在着粒子和反粒子之间的非对称性。 现实的世界中，物质是由电子、质子等基本粒子所组成的，而 反粒子仅是在实验笔里用高能加速器所产生的为数不多的产物。 如果粒子与反粒子等量共存，藏撞后，其结果将导致一彻物质全部 酒灭。研究已证明：在现今人类所发现的星系中不存在反物质，但 并不排斥其他的是球上会存在反物质的可能性。锯此，人们对宇 宙机制提出了不同的可能棋型。对于现实世界，宇宙中可能存在 一种机制，它有效地把粒子和反粒子隔开，或把反粒子隐藏在某 处，使粒子和反粒子不发生碰撞而谨灭：更可能的是，人们本来就 生活在非对称的宇宙之中，物质以完全压倒的优势超过反物质。 子是，1966年物理学家萨哈罗夫(Sakharov)提出一个模型。其要 点为，在物质形成的时刻，宇宙必须处于非平衡条件下，因在平衡 态时，根据质量作用定律，要求有等量的物质和反物质。由此人们 认识到，如果不存在非平衡态和与之相联系的不可逆过程，则宇宙 将具有与现实世界完全不同的结构。这是因为当要求物质和反物 质等趾存在时，物质将会全部酒灭。即使考虑到赤落现象也不会 有明显数量的物质存在，这将导致在某些局域内，只可能存在物质 超过反物质，或反物质超过物质。这并非是现实世界。因此，从现 实世界出发得出的结论只能是：宇宙在物质形成之时便处于非平 衡森中。非平衡态是物质存在的前提。 据说，美国和日本科学家在1999年3月5日宣布「1，他们在 芝加哥附近一台粒子加速器中所进行的最新实验结果表明，物质 和反物质相互之间其实井不存在完全对称的“镜像”关系。这可 以解释为什么字宙“大燥炸”中曾经存在的所有反物质都已消失。 这个发现也许能解释世界到底为什么以目前这样的方式存在。 21