耗散结构与自然界的不可逆性

作者: Dilip Kondepudi, Tomio Petrosky, John A. Pojman

来源: 集智俱乐部

发布日期: 2022-01-28 08:00:00

诺贝尔化学奖得主普里高津通过引入不可逆性和时间之箭,改变了经典热力学的理解,认为不可逆过程不仅能破坏秩序,还能创造高度有序的复杂结构和生命本身。他的科学贡献分为三个时期:早期重新表述热力学,中期构建耗散结构理论,后期扩展经典力学以纳入不可逆性。普里高津坚信不可逆过程在自然界的中心地位,并推动了非幺正变换理论的发展,以适应时间之箭的现实。

在经典力学的图景中,时间是可逆的,发生在过去与未来的事件没有根本区别。但在近50年前,诺贝尔化学奖得主、物理化学家普里高津将不可逆性和时间之箭引入经典热力学,拓展了我们对热力学的理解:不可逆过程不仅可以破坏秩序,增加宇宙的熵,也可以创造高度有序的复杂结构和生命本身。

2017年,在普里高津诞辰100周年之际,美国物理学会(AIP)旗下的非线性科学跨学科期刊Chaos发表纪念文章,回顾了普里高津不同时期的学术贡献,以及这位“热力学诗人”与其他科学家的交谊。

普里高津的科学贡献可以大致分为三个时期:(i)早期,他将热力学重新表述为不可逆过程的科学,改变了热力学在19世纪是关于状态的理论这一状况,(ii)在布鲁塞尔-奥斯汀小组时期,构建了耗散结构理论,并对不同系统进行了广泛研究,(iii)后期,他的小组专注于扩大经典力学的表述,使不可逆性成为物理学的基础。

普里高津深信不可逆过程在自然界的中心地位和时间之箭的真实性,但他不得不面对令人烦恼的物理学的二元性。从时间可逆的经典力学观点来看,发生在未来或过去的运动(及物质的所有转变)没有根本区别。因此许多人认为不可逆过程和时间之箭不可能是真实的,仅是一个幻觉,是我们因能力有限而创造出来的幻觉。普里高津极其反对关于不可逆过程和时间之箭的这种观点。

很多时候,我们看到他在演讲和咖啡馆的谈话中充满激情和确定性地说:“不可逆过程创造了我们,但我们没有创造它们。”有时,他的表述更加文学化:“我们是时间之箭、演化之箭的孩子,而不是其祖先。”

为了适应不可逆过程和时间之箭的现实,必须对经典力学进行修正,或者扩展其表述。为此,他推动了非幺正变换(non-unitary transformation)理论的发展。他在1977年诺贝尔演讲的总结发言中指出:“通过非幺正变换理论引入热力学不可逆性,深刻改变了动力学结构。我们从群到半群,从轨迹到过程。这种演变与本世纪我们对物质世界描述的一些主要变化是一致的。”这个理论至今还在继续发展。

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