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化学:哲学的镜子(3)

来源:未知作者:杨帆 点击:所属专题: 化学素养

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非平衡和有序是相关联的。普里高津(Ilya Prigogine,1917)的非平衡态热力学指出,只有在远离平衡态的条件下系统才有可能形成有序结构。如果系统处于平衡态,那么最终只能形成相对静止的混沌状态。在生物化学当中

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非平衡和有序是相关联的。普里高津(Ilya Prigogine,1917—)的非平衡态热力学指出,只有在远离平衡态的条件下系统才有可能形成有序结构。如果系统处于平衡态,那么最终只能形成相对静止的混沌状态。在生物化学当中,蛋白质、DNA分子等都是高度有序的结构,这是因为生物体是个开放系统,而且永远处于非平衡的状态,从而避免了生物分子处于平衡无序的状态。

有序和非对称也有关联。如在晶体中,其结构的有序性导致了取物理性质的不对称性——各向同性,而非晶体结构的无序性导致了其物理性质的对称性——各向异性。另外,生物分子也是高度有序的,有人认为这是由于生命物质在其演化过程中丧失了大量的对称性所致,这正如比埃尔·居里(Pierre Curie,1859—1906)所说的:“非对称创造了世界。”

然而,应当注意,非对称和有序的这种关系必须是针对同一个对象而言的,否则就没有上述结论了。如在统计热力学中,分子的对称性使得其能级的简并度降低,从而使得分子所能采取的微观状态数目减少,因而分子的无序程度减少,即有序程度反而因为对称性而增加了,但应看到这里的有序度是大量分子所组成的系统的有序度,而对称性则是针对于单个分子的,二者不是同一个对象。

由此可见,非平衡导致了有序,而有序又与非对称相关联,所以非平衡也导致了对称性的破缺。现在有人认为万有斥力的破缺源自宇宙演化过程中对称性的丧失,而我个人认为正是由于宇宙演化过程是不可逆的,才造成了对称性的丧失。 

五 确定性与可逆性

现在有两种理论使“确定性终结”了,一个是量子力学,一个就是混沌理论。前一理论被用于处理化学物质的结构和变化中,后一理论则被用于化学振荡就非平衡态热力学中了。但就目前为止,确定性或决定论似乎对化学家并不重要,因为当前人们研究的是大量分子或原子的集合,所涉及的时间也是远较分子的变化瞬间为长,所以统计规律掩盖了这一问题。然而将来情况是否会变化,还很难说。但我们不要忘了,正是由于不确定性才导致了复杂性,可以想象,正是多体问题的无确定解,才使得天文学家不得不利用摄动理论和变分法来解决天体问题;同样,微观粒子状态的不确定性也使得化学家面对复杂的薛定谔方程望而却步,不得不求助于微扰理论和变分法等手段来解决分子的结构问题。

值得一提的是,不确定性究竟来源于什么?难道世界上真的不存在因果制约关系?根据量子力学理论,不确定性来源于人们观察一个系统所带来的扰动,这个扰动对于微观粒子来说是相当敏感的。根据混沌理论,不确定性来源于一个系统的状态对其初始条件的极度敏感,“蝴蝶效应”对天气的影响就是一个生动的比方。但是,值得质问的是,这些并没有说明因果关系不存在!即使一个微分方程组的解对其初始条件是多么的敏感,但只要其初始条件是确定的,那么就必然对应一个唯一确定的解。无论是量子力学还是混沌理论,用来解释其不确定性的机制都是基于因果关系的,否则,没有因果关系的解释也就不成其为解释了,非因果性不可能靠因果关系来解释。我还想强调一下人的理性因素对不确定性的影响。如果世界上从来没有而且永远不会出现具有理性思维的动物,那么只要宇宙给出其第一初始条件那么对于宇宙这个最大的孤立系统而言,其演化过程中的每一个状态,是完全有可能确定的。然而,当象人这样的理性生物产生之后,人的理性支配了人对宇宙这个系统的影响,继而影响了宇宙的状态,而人的理性有的时候应当说是不受因果关系制约的,比如说,人可以自由地任其思维驰骋,而不一定非要有个什么原因才会想到某个东西。所以,我认为在人的理性思维中是存在着所谓“绝对自由的原因”的。正是由于理性世界的不确定性,才使得人类的活动的不确定性扰动了宇宙的状态。

应当指出,尽管不确定性普遍存在,但导致不确定性的根本机制还是受因果制约的;尽管不确定性是绝对的,但在一定的范围和程度上,也存在相对的决定性,否则科学也就不复存在了。

绝对的不确定性导致了绝对的不可逆性。历史上著名的“可逆佯谬”最先由开尔文既而由洛喜米脱(J.Loschmidt,1821—1895)与1876年提出,他们说,体系的宏观过程是不可逆的,但构成体系的单个分子的运动却是可逆的,因为它们遵循具有时间反演不变性的牛顿运动方程。目前关于“可逆佯谬”有各种各样的解释,而我认为,不可逆性源自不确定性。试想,如果体系只由一个遵循牛顿运动定律的分子构成,那么只要让这个分子可逆运动,体系自然会发生可逆变化;然而,实际体系是由大量的分子构成的,尽管对于每个分子,它们仍然服从牛顿定律,但这已经形成了一个多体问题,因而任何一个想让所有的分子一致地可逆地运动回去的企图都必将不可避免地成为对体系的一个微扰,无论它有多么小,这都会使体系的最终状态不可预测性地远远偏离体系最先的状态,因而人们永远不可能使体系发生可逆变化。

尽管不可逆性的客观存在,化学家并未放弃对可逆性的追求和逼近。如他们在理论上首先研究了可逆过程的性质,然后再以此为基础去研究不可逆过程;而在实验方面,他们设计了“可逆电池”(非常接近与可逆过程),进行了电化学的理论和应用研究。

(责任编辑:化学自习室)
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