伊利亚·普里高津

体育新闻 2020-02-02121未知admin

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  普里高津(Ilya Prigogine,1917~2003)是比利时物理化学家,布鲁塞尔学派的首领,以研究非平衡态的不可逆过程热力学、提出“耗散结构”理论而闻名于世,并因而荣获1977年诺贝尔化学,非平衡态统计物理与耗散结构理论奠基人。他把将近一世纪前由克劳修斯(Clausius,R.J.E)创立的热力学第二定律扩大应用于研究非平衡态的热力学现象,开拓了一个过去很少受人注意的崭新领域,被认为是近二十多年来理论物理、理论化学和理论生物学方面取得的最重大进展之一。普里高津在而广泛的研究工作中形成了自己的哲学观点,他的许多科学理论观点极富有辩思想。

  《化学热力学》、《不可逆过程热力学导论》、《非平衡统计力学》和《非平衡系统中的自组织》

  伊利亚·普里高津是比利时物理化学家和理论物理学家。1917年1月25日生于莫斯科。1921年随家旅居。1929年定居比利时,1949年加入比利时国籍。他于1934年进入布鲁塞尔大学,攻

  读化学和物理,1939年获理科硕士学位,1941年获博士学位。1947年任该校理学院教授。1959年任索尔维国际理化研究所所长。1967年兼任美国奥斯汀得克萨斯大学的统计力学和热力学研究中心主任。1953年当选为比利时皇家科学院院士。1967年当选为美国科学院院士。普里戈金从事关于不可逆过程热力学(也称非平衡态热力学)的研究。1977年伊利亚·普里高津(比)对非平衡态热力学(不可逆过程热力学)的贡献.1945年他提出了最小熵产生,该是线性不可逆过程热力学理论的主要基石之一。他和同事们于60年代提出了适用于不可逆过程整个范围内的一般发展判据,并发展了非线性不可逆过程热力学的稳定性理论,提出了耗散结构理论,为认识自然界中(特别是生命体系中)发生的各种自组织现象开辟了一条新。耗散结构理论在自然科学及科学的许多领域有重要的用途。因创立热力学中的耗散结构理论,普里戈金获1977年诺贝尔化学。普里戈金在物理化学和理论物理学的方面,如化学热力学、溶液理论、非平衡统计力学等,都有重大的贡献。他的主要著作有《化学热力学》 、《不可逆过程热力学导论》 、 《非平衡统计力学》和《非平衡系统中的自组织》等。

  公元1977年,当被科学界誉为现代热力学的奠基人、比利时布鲁塞尔学派著名的统计物理学家普里高津,以其创立的耗散结构理论把当年的诺贝尔化学的桂冠举过头顶的时候,这一伟大的时刻终于到来了。人们清楚地知道:普里高津所创立的耗散结构理论对于整个自然以至科学产生的划时代的重大影响,远远超出了一次诺贝尔的价值。

  普里高津于1969年在国际“理论物理与生物学会议”上发表了《结构、耗散和生命》一文,提出了耗散结构理论,把理论热力学的研究推向了当代的最高峰。普里高津由于这一重大贡献,荣获1977年诺贝尔化学。这是普里高津学派20多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的。

  普里高津和他的同事在建立“耗散结构”理论时准确地抓住了如贝纳尔流、B-Z化学波和化学振荡反应以及生物学演化周期等自发出现有序结构的本质,使用了“自组织”的概念,并且用该概念描述了那些自发出现或形成有序结构的过程,从而在“存在”和“演化”的两种科学之间,在两种文化之间构架了一座科学的桥梁。

  普里高津在研究了大量系统的自组织过程以后,总结、归纳得出,系统形成有序结构需要下列条件:

  热力学第二定律指出:孤立系统的熵不可能减少。对于一个孤立系统,无论其微观机制如何,如果从宏观上看,它可以被当成是孤立系统,则必然要达到平衡态。耗散结构理论认为,对于孤立系统来说熵是增加的,总过程是从有序到无序;而对于系统来说,由于通过与交换物质和能量,可以从获取负熵用来抵消自身熵的增加,从而使系统实现从无序到有序、从简单到复杂的演化。

  远离平衡态是系统出现有序结构的必要条件,也是对系统的进一步说明。系统在作用下离衡态,逐渐加大,对系统的影响逐渐变强,将系统逐渐从衡区推向远离平衡的非线性区,只有这时,才有可能形成有序结构,否则即使,也无济于事。

  组成系统的子系统之间存在着相互作用,一般来讲,这些相互作用线性的,不满足叠加原理。正因为这样,由子系统形成系统时,会涌现出新的性质。

  涨落是指对系统稳定状态的偏离,它是实际存在的一切系统的固有特征。系统内部原因造成的涨落,称为内涨落;系统外部原因造成的涨落,称为外涨落。处于平衡态系统的随机涨落,称为微涨落;处于远离平衡态的非平衡态系统的随机涨落,称为巨涨落。对于远离平衡态的非平衡态系统,随机的小涨落有可能迅速放大,使系统由不稳定状态跃迁到一个新的有序状态,从而形成耗散结构。

  普里高津已经了远离热力学平衡态的系统的不可逆进化动力学,处在这种“第三种状态”(远离而不是处于或接衡)的系统以这种明显的方式运作:当涨落导致失稳时,它们并不到达平衡,而是可能重新组合它们的内部力以吸收、转变和贮存更多的它们中所具有的能。结果,它们没有衰亡,而可能又振作起来到达演化的更高区域和复杂状态。

  然而进一步考察后发现,热力学事业尽管有显赫的成就,但仍证明有重大缺陷。它的问题是,当远离平衡态的系统的进化轨线分叉时,该系统将会发生什么事要仰仗随机性的选择。普里高津不能解释紧随分叉后系统对新动态形式的“选择”,就如同斯塔普不能解释当粒子与的其余部分相互作用时粒子对决的状态的“选择”一样。在普里高津的非平衡中,与海森堡量子一样,进化仍被纯粹的随机性所打断。

  普里高津的不可逆进化把观察到的所有领域,物理的、化学的、生物的、生态的、甚至人类的系统都联系了起来,它为从物理学和化学向生物学和生态学,最终向人文科学的过渡提供了一张有吸引力的通行证,但是,这种理论能为理解作为自然界中渐进组织的结果的有序提供一把钥匙吗?换句话说,“通过涨落达到有序”是新物理学理论中所缺少的组织原理吗?

  在这一点上一直存在着严重的问题,由普里高津的进化动力所驱动的系统趋向于分散和多样化,而不是趋向于凝聚和。普里高津自己也谈到了“分叉属性”是进化过程的基础:即使两个系统从相同的状态出发,而且在它们的中具有相同的初始条件,它们也会在时间的过程中倾向于分叉,因为每个系统受到不同的外部影响和产生不同类型的内部涨落。事实是,在普里高津所开创的非平衡热力学中,进化系统的特定发展线受机遇的支配,无论是系统过去的历史,还是其的性质,都不能决定在诸多的涨落中哪一种将最终变成核心。成核过程只能用各种随机方程来描述,这些方程可以有许多可能的结果。不过这里还存在困难,如果系统的过去和都不决定成核过程的结果,那么在复杂系统中所出现的了的结构就完全取决于对系统不稳定的众多涨落所进行的随机选择。在某一特定系统中,进化展开的方式变得完全不可预见;而在许多系统中,进化展开的方式很可能是多种多样的,我们的周围因此就应当是由千差万别的系统所构成的杂乱无章的一堆混乱,而不是学的宏观结构和物理学、化学和生命科学的微观结构所显示的始终如一的有序。这与事实显然是不符的。

  普里高津和他的学派指望偏离平衡是有序的最终源泉,并希望非平衡热力学方程能解释观察到的进化过程,然而这些期望至今还未得到满足。尽管热力学理论描述了复杂系统在其中维持自身的方式和它们变化的方式的本质方面,但没有解释在变化的可能结果中从统计学上看为什么系统趋向于有序和复杂性。

  在系统所产生的熵及其复杂性的增加之间至今未发现任何关联枣系统所产生的熵的量不能作为衡量其进化发展的标准。虽然混沌系统比有序系统产生更多的熵,但熵的产生、增加或减少并不取决于系统的结构和复杂性的变化,看来,热力学的熵不能充分说明系统进化的轨迹。“信息熵”这一补充术语不是来自非平衡热力学,而是来自申农的信息论,它已被用来解释结构的变化。但信息熵和物理熵之间的关系还是不清楚,把这两者都包含在内的理论不再是一种热力学理论,而是关于能量和信息加工系统的一种理论。

  在“2004文化高峰”上,杨振宁将近代科学没有在中国萌生规咎于《易经》 。概括起来,杨振宁对《易经》的否定可以归纳为两点:一是说它认识事物的方法只有归纳法,没有推演法。二是不同意天人合一的观念,说是人有人的规律,自然界有自然界的规律,是两回事,不能合在一起。

  普里高津是研究热力学的,然而他得的是诺贝尔化学,因为他的“耗散结构”理论并不为主流物理学家所认同。简单地说,耗散结构理论就是认为:事物的演化是由于事物结构的突然变化,而事物结构变化的原因,则是由于事物内部存在一种“自组织”的功能。耗散结构理论是一个既适用于自然界又适用于人的理论,这就与天人合一的观念不谋而合了。对于这个观念,主流物理学家——例如杨振宁——则是反对的。于是普利高津将目光投向中国,他在《确定性的终结》中文版序中写道:“科学和哲学一贯强调主体与客体之间的二元性,这与注重天人合一的中国哲学相悖。本书所阐述的结果把现代科学拉近中国哲学。自组织的也是‘自发’的世界,它表达一种与科学的经典还原论不同的整体自然观。我们愈益接近两种文化传统的交汇点。我们必须保留已证明相当成功的科学的观点,同时必须重新表述把自然的自发性和创造性囊括在内的自然。本书的雄心正是以一种广大读者易于接受的方式阐述这一综合。自本书于1996年问世以来,沿着这条思又取得了更多的进展。在末,我们并非面对科学的终结,而是目睹新科学的萌生。我衷心希望,中国青年一代科学家能为创建这一新科学作出贡献。”

  事物不仅具有物质性,还具有结构性。事物的物质性表现为质量,牛顿把物体抽象为质量,不管物体的材料是木头还是铁块,都符合牛顿力学。也就是说,牛顿力学不考虑事物的结构性,所以它只能说明物体的机械运动。今天,当人们更深入地认识事物更复杂的运动时,事物的结构性就显得比物质性更为重要。

  就拿DNA来说吧。DNA是四种碱基对排列成的双螺旋结构,它载着生命的信息,仅仅因为这些排列些小的变化,就改变了生命的形式。人与人之间的基因差异,只要有0.2%的改变,就变成不同的人种。人类的基因有98%与黑猩猩一样,有51%与酵母菌相同。仅仅因为结构的改变,就演绎出亿万生命的。如果我们想到:热带雨林中的一支猩猩与北极冰川上的一支企鹅;海洋里游弋的一条蓝鲸与沙漠里跋涉的一匹骆驼;长空里迁徙的一支大雁与地下掘洞的一只蚂蚁;沉睡在古荒原上的一粒细菌与生活在现代都市中的一个人,这一切竟然都是由于这个双螺旋结构的不同造成的,我们就会相信“结构决定事物的本质”。

  其实在2300年前,亚里士多德提出的“质料因”与“形式因”就已经涉及到这个问题。亚里士多德在说明质料与形式的关系时说,雕像的质料是青铜,雕像是形式,“雕像之为雕像,不在青铜,而在雕像的本质”。也就是说某事物之所以成为某事物,不在于质料的,而在于形式的。可以看出,亚里士多德已经感觉到了“结构决定事物的本质”,不过受到时代科学水平的,他不可能说得更清楚。

  如果以电子质子中子为质料,不同的结构可得到不同的原子,直到填充满化学元素周期表。这些化学元素的外观和性质,差别竟有如此之大。

  “同素异构”现象和“同分异构”现象告诉我们,即使是品种数量完全相同的质料,不同的结构,也会成为另外的东西。同素异构最著名的例子就是碳原子既可组成金刚石,又可组成石墨。金刚石是自然界中最晶莹最坚硬的物品;石墨则是极黑极软的东西。如此之大的反差仅仅由于碳原子的结构不同,金刚石中的碳原子呈等四面体排列,而石墨中的碳原子呈一种六棱柱排列。同分异构最早发现的是异氰酸银(AgNCO)与雷酸银(AgONC)。从它们的式可以知道,它们的全部零件都是一样的,不过结构不同,它们的性质就大不一样:前者很稳定,后者却具有性。再如乙醇(CH3CH2OH)和甲醚(CH3OCH3),它们的式都是C2H6O,但是结构不同,性质也就全然不同了。

  其二:普里高津的学术生涯是由简入繁,早年研究化学反应,中年研究热力学和统计物理,晚年深入到量子混沌的理论基础。

  其三:普里高津凭借自己的学识、热情与组织才能,以战略家的眼光,一手缔造了布鲁塞尔学派,使得非主流的前沿研究得以。

  在近代自然科学史上,矗立着三块举世瞩目的:与科学巨人牛顿的名字联系在一起的经典力学;与现代物理学的奠基人爱因斯坦的名宇联系在一起的;与玻尔海森堡等人的名字联系在一起的量子力学。几十年来,全世界的科学家们在仰望科学的顶峰的同时.都在企盼着另一块超越巨人的矗起,他就是伊利亚·普里高津。平衡态热力学中基本的热力学势能为内能(U),和其变体焓(H=U+PV)、亥姆霍兹能(A=U-TS)或吉布斯能(G=U+PV-TS)。但在非平衡态热力学里,熵(S)才是最重要的。不可逆转变被静熵生成所描绘。

  非平衡态热力学被用来不是热力学平衡,但可以分成足够小的系统在还够大到可以就热力学应用在它身上的子系统的研究系统上。此一假设被称为局部平衡。在某些例子中,有一堆分离的系统经由一堆分离的接连来相互作用著。连续系统则由测量每单位体积的外延量(如密度)及认为内涵量有局部定义的值来研究;这表示所有的热力学变量都可以用场来表示。内涵量的不同或梯度被称为热力学作用力,且会导致外延量的流动。

  当一系统被允许达到一隐定态时,它会安排地让它自己达到最小的总熵值。此一被伊利亚·普里高津和人所重视的原理允许我们使用变分原理来公式化隐定态非平衡态热力学。另一个有力的工具为昂萨格倒易关系,它表示在两个流动至的不同热力学作用力的反应之间有著某些对称。

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