漲落現(xiàn)象的一點理解

1、漲落現(xiàn)象的一點理解首先了解一下統(tǒng)計和漲落的關系統(tǒng)計規(guī)律：統(tǒng)計規(guī)律是對大量偶然事件整體起作用的規(guī)律，它表現(xiàn)了這些事物整體的本質(zhì)和必然的聯(lián)系。通過對大量微觀粒子運動規(guī)律的研究，來解釋物質(zhì)的宏觀性質(zhì)稱為統(tǒng)計物理學。通過觀測發(fā)現(xiàn)，在一定宏觀條件下，大量的微觀粒子的集體運動卻遵循著一種規(guī)律，人們把這種規(guī)律性叫做統(tǒng)計規(guī)律性。它不僅對研究熱現(xiàn)象有重要的意義，而且在其他自然現(xiàn)象中也是普遍存在的，統(tǒng)計規(guī)律是對大量偶然事件整體起作用的規(guī)律。它表現(xiàn)了這些事物整體的本質(zhì)和必然的聯(lián)系，在這里個別事物的特征和偶然聯(lián)系退居次要地位。需指出的是，這里所說的個別事物的偶然性是相對于大量事物整體的統(tǒng)計規(guī)律而言的，這并不意味著偶然

2、性是無原因的。一切偶然性都有自己的原因。統(tǒng)計規(guī)律是以動力學規(guī)律為基礎的，它不可能脫離由動力學規(guī)律所決定的個別事件而存在。但當體系中所包含的粒子數(shù)目極多時，就導致在質(zhì)上全新的運動形式的出現(xiàn)，在這里運動形式發(fā)生了從量到質(zhì)的飛躍。其最重要的特點就是在一定宏觀條件下的穩(wěn)定性，這是由統(tǒng)計規(guī)律所制約的。統(tǒng)計規(guī)律的另一個特點是永遠伴隨著漲落現(xiàn)象，統(tǒng)計規(guī)律與漲落現(xiàn)象是不可分割的，這正反映了必然性與偶然性之間相互依存的辨證關系。漲落現(xiàn)象fluctuation:當對所研究系統(tǒng)的某一宏觀物理量進行測量時，每次測得的實際數(shù)值必然會表現(xiàn)出相對于它的統(tǒng)計平均值的偏差，這種現(xiàn)象稱為漲落”。有關漲落現(xiàn)象的例子很多，如布朗運動

3、就是一典型例子。布朗運動是分子運動論的重要實驗基礎，布朗運動的研究對漲落理論的建立起了重要作用。又如液體中的臨界乳光現(xiàn)象和光在空氣中的散射現(xiàn)象，都是由于媒質(zhì)密度的漲落引起的。在各種電路中也可以觀察到由于帶電粒子的熱運動而引起的電流漲落現(xiàn)象。如，當用電流計測量微弱的電流時，如果待測的電流小于漲落電流，或待測電流引起的電流計線圈的偏轉(zhuǎn)小于線圈本身的布朗運動，則這種測量將無法進行。漲落是大量微觀粒子的一種統(tǒng)計平均行為，是大量微觀粒子如分子、原子、電子等無規(guī)則熱運動的結果。漲落的相對值通常很小，但在有些現(xiàn)象中仍可觀察到，并且可能有很重要的影響。普里戈金普里戈金的不滿意牛頓綱領與現(xiàn)實世界的這種特別明顯的

4、不協(xié)調(diào)性，強烈地追求一致性的哲學沖動驅(qū)使他對牛頓綱領的基礎概念、理論前提進行重新考慮。從那時起，一門可以稱之為復雜性科學的研究綱領就逐漸出現(xiàn)在新世紀人們的面前。普里戈金復雜性科學的范式經(jīng)典熱力學所研究的都是外在近平衡區(qū)的體系，在這個區(qū)域內(nèi)，體系內(nèi)部所發(fā)生的過程都是線性的。這是不是說，時間向下的衰變效果是發(fā)生在線性關系中？在遠離平衡的區(qū)域是一種什么情景呢？普氏的理論告訴我們，一個體系，當它被外力驅(qū)使到遠離平衡的區(qū)域時，其內(nèi)部占統(tǒng)治地位的是一些非線性關系。這種情況下，體系與處于平衡或近平衡條件下的行為完全兩樣，它變得對內(nèi)部或外部發(fā)生的小變化（稱為隨機的漲落和干擾）特別敏感。在外部作用的某些閾值上，

5、整個體系以一種異乎尋常的方式重新組織自己。著名的貝納德元胞（Benardcells）試驗就演示了這個自組織現(xiàn)象。普里戈金的理論告訴我們第一，能量守恒和轉(zhuǎn)化定律并非是問題的全部，它代表了自然的一些溫和與可控的方面，在它下面還有一個更加活躍”的層次，這就是化學變化、生長與死亡，它們超出了當量關系和守恒的范圍。能量的轉(zhuǎn)化不過是一種差別的消失，同時伴隨著另一種差別的產(chǎn)生，只要有差別（如溫度差或勢能差等）才能產(chǎn)生也是差別的結果。將體系驅(qū)使到遠離平衡態(tài)就是利用了環(huán)境的差別，以造成體系內(nèi)部產(chǎn)生出差別（形成新的結構形態(tài)）0因此，只要自然界中有差別，有流動，就會在守恒與轉(zhuǎn)化之外響起創(chuàng)造與毀滅的回聲。第二，在經(jīng)典

6、熱力學中不可逆過程往往被當作討厭的東西，是干擾，是造成時間之矢朝下（無序化）的根源，而在遠離平衡的地方卻成為從無序、從熱混沌到有序的源泉。普里戈金把這種新結構叫做耗散結構，以強調(diào)耗散過程（不可逆過程）在這類結構的形成中所起的建設性作用。由于引進了時間”，引進了過程的不可逆性，將演化將歷史帶進了自然科學，說明自然界不僅是在空間中存在著，而且是在時間中生成并消逝著。普里戈金實現(xiàn)了兩個時間方向的統(tǒng)0第三，普氏的新理論還提示了自然界的一個非常重要的方面，它涉及到哲學史上一個長期爭論不休的“決定論”問題。首先，新理論指出，在熱力學體系中漲落對體系的宏觀行為具有重要意義。追尋漲落的本質(zhì)，它根源于體系內(nèi)粒子

7、的隨機運動（熱運動）。物理學家玻恩指出，從宏觀尺度看，一切觀測都要受到布朗運動（分子的熱運動）的限制。這就是說，在宏觀層次上，自然界以其漲落的特征給我們的精確觀測加上了限制，按普氏的看法，這不是一種實踐上的、操作上的限制，而是一種原則上的、理論上的限制。我們在這里似乎遇上了與量子力學類似的境況，在牛頓力學中，這類因素被認為是可以忽咯的偏差，隨著測量手段的精確化，沒有理由認為不能排除。而在經(jīng)典熱力學中，這類因素卻是造成處在近平衡態(tài)的體系，必然向平衡態(tài)（最大無序態(tài)）跑”的原因。從哲學的觀點看，這表現(xiàn)為內(nèi)容上的偶然性具有了形式上的必然性組成體系的每一個個體充分自由的”活動方式，導致體系整體狀態(tài)的最大

8、無序態(tài)。其次在遠離平衡區(qū)，情況有了驚人的變化。處在該條件下的體系由于受到外部參量的控制，體系內(nèi)部的“相干性”加強了，因而個體不能以足夠隨機的方式”動作,但在臨界點附近，系統(tǒng)有可能失穩(wěn)”，這時該點附近的個別漲落有可能在非線性的相互作用下被放大成巨漲落（長程關聯(lián)出現(xiàn)了），從而導致體系的一種與這個特殊的“個別漲落”有關的新的宏觀的有序態(tài)。這樣一來，體系的演化就不可能完全是“決定論的，對它們的運動規(guī)律的描述既要使用決定論的語言，也要使用概率論的語言：首先，體系在外部參量的控制下逐漸達到遠離平衡的臨界狀態(tài)，這是一個嚴格決定論過程，由必然性所支配。一旦體系達到臨界狀態(tài)（又稱分叉點），按自組織理論，從本質(zhì)上

9、說不可能事先決定該體系的下一步狀態(tài)，而要由這個時刻，處于特定位置的漲落的性質(zhì)和分叉的穩(wěn)定性來決定。這樣，上述那個由必然性支配的過程受到偶然性的破壞，在分叉點上實現(xiàn)了向新的必然性的轉(zhuǎn)化。這一切構成了體系演化的獨特性、個體性，正因為如此、人們不可能以科學觀測為依據(jù)，對體系的未來行為作準確的預測，至多只能預言可能發(fā)生的情況。與體系進一步遠離平衡態(tài)，常常會出現(xiàn)一種看上去非?；靵y的運動狀態(tài)，如發(fā)生過程的不連續(xù)性、非周期性、峰值的不規(guī)則移動等。表現(xiàn)在刻劃該體系的宏觀參量出現(xiàn)了不規(guī)則的變化，體系變得對初始條件的細微改變異常敏感”。我們可以在化學反應、氣候變化、電子電路、心臟突發(fā)性病變、股票市場、生態(tài)系統(tǒng)等各類系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)這類現(xiàn)象。由于它們呈現(xiàn)出高度的不規(guī)則性，人們稱它們?yōu)榛煦绗F(xiàn)象。普里戈金告訴我們，混沌態(tài)并不像我們?nèi)粘＠斫饽菢?，是一種簡單的無序態(tài)，而是一種在微觀上（個體水平上）分子分布高度的不均勻，在宏觀上（整體水平上）呈現(xiàn)出特別豐富的特征空間和特征時間的尺度。這么多尺度交織在一起，相互嵌套。從整體上看就