【极热篇｜第三章：复杂系统】04 耗散结构

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严老师讲义 

混沌系统（或者说复杂系统）的存在非常重要，它是世界多样性的来源。根据熵增原理，宇宙作为一个系统，应当越发的混乱。这就是热寂说的核心内容，宇宙最终会达到熵最大的状态，没有任何秩序。

3.4.1 热寂说

根据热力学第二定律，也就是熵增原理，热寂说认为宇宙最终一定会发展成一团混乱，变得毫无规律。所有的物质都会混为一团，不会有星系，天体，更不会有地球这样富含生命的星球。因为天体、地球的形成，生命诞生的本质都是一种秩序。然而熵增定律说的是，一个封闭系统一定最终会丧失所有秩序。因为秩序的熵是低的，要熵达到最高，必须消除一切秩序。

热寂说认为，宇宙最终会丧失一切秩序，变成一锅汤。但是我们世界的存在，是一种反热寂说的现象。生命就是一种最高的秩序。

3.4.2 耗散结构

熵增原理有一个前提，就是对于一个封闭系统来说，熵永远不会自发减小。什么是封闭系统？封闭系统就是一个与外界没有能量交换的系统。

熵增原理在封闭系统中才成立。我们在【极大篇】中已经说到过，就目前人类对于宇宙的认知来说，宇宙是在不断膨胀的，为了加速膨胀还需要存在暗能量，也就是宇宙还在不断被输入能量。这样看来，宇宙未必是个封闭系统。

为什么非封闭系统有可能逃脱热寂呢？这里就出现了非平衡态热力学中的一个分支，耗散结构。耗散结构是比利时的一位叫普里戈金的理论物理学家兼化学家提出的概念。总的来说，就是在没有达到稳态的情况下，向一个不与外界隔绝的系统输入能量，它的熵有可能自发减小并呈现新的秩序。

3.4.3 新秩序形成的条件

你可以做做看这样一个实验：拿一个平底锅，锅里放薄薄的一层水，然后开始烧水，最好火要猛，上面再开个抽油烟机吸热。你会发现沸腾时的水面，可能会出现一种新的形状。一般情况下，沸腾的水面虽然会有很多水泡，但是这些泡泡是毫无规律的。但在水很薄，水的上下温差很大的情况下，水沸腾时的水泡会组成六边形的蜂窝状结构。

沸腾的水面

也就是当给水面输入足够能量，并且水处在沸腾的非稳定态，水面形成了新的秩序，这种秩序自然是熵更小的。这就是耗散结构的一个体现。这个实验被总结下来，必须是水的上下温差达到一定的差值才会出现新的秩序，也就是输入能量的效率要足够高，并且系统要处在非平衡态。

为什么会出现这种逆熵的情况？为什么按理来说应当混乱的系统会出现这样的秩序呢？关键在于混沌系统、复杂系统的非线性行为。复杂系统的性质多变、难以预测，因此也给新的秩序提供了可能性。

正是因为这种复杂性，地球才能诞生生命。知道生命系统是异常复杂的系统，生命延续的本质，都是要摄取能量，消耗能量以抵抗系统本身的熵增。恰恰是因为世界上存在非线性，存在混沌系统，存在足够高的复杂度，才能呈现出如此多变，如此多样的秩序性。

至此，我们对于【极热篇】的知识已经交付完毕。热力学、统计力学、复杂科学，可以说是经历了几百年依然非常蓬勃的学科。它与其他学科的交叉性非常强，生物学、化学、生理学和医学走到理论化的程度，都与热力学、统计力学、复杂科学有着强烈的交叠。比如近年蓬勃发展的生物物理学，就是用物理（主要是统计力学）理论去解释生物中的一些基本现象。例如基因选择，DNA 的形成、转录，这里面物理学的道理其实很深刻。

研究现实世界，复杂科学和统计力学是最重要的理论武器之一，因为现实世界是复杂的，是大规模的。也正是因为在理论的底层有统计力学和复杂科学作为支撑，我们的世界才会形成今天的丰富多彩和千变万化。

接下来，我们将进入六极物理课的最后一篇，【极冷篇】研究的是另外一个温度上的极端。让我们看看当多粒子系统在微观运动上的热随机性降到最低，量子力学的属性完全占据主导的情况下，还有什么神奇的物理学现象会发生。这个领域代表着物理学研究的最前沿。