漲落現(xiàn)象的一點(diǎn)理解

1、漲落現(xiàn)象的一點(diǎn)理解首先了解一下統(tǒng)計(jì)和漲落的關(guān)系統(tǒng)計(jì)規(guī)律：統(tǒng)計(jì)規(guī)律是對(duì)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(guò)對(duì)大量微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，來(lái)解釋物質(zhì)的宏觀性質(zhì)稱為統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在一定宏觀條件下，大量的微觀粒子的集體運(yùn)動(dòng)卻遵循著一種規(guī)律，人們把這種規(guī)律性叫做統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。它不僅對(duì)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(jì)規(guī)律是對(duì)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(gè)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(shuō)的個(gè)別事物的偶然性是相對(duì)于大量事物整體的統(tǒng)計(jì)規(guī)律而言的，這并不意味著偶然

2、性是無(wú)原因的。一切偶然性都有自己的原因。統(tǒng)計(jì)規(guī)律是以動(dòng)力學(xué)規(guī)律為基礎(chǔ)的，它不可能脫離由動(dòng)力學(xué)規(guī)律所決定的個(gè)別事件而存在。但當(dāng)體系中所包含的粒子數(shù)目極多時(shí)，就導(dǎo)致在質(zhì)上全新的運(yùn)動(dòng)形式的出現(xiàn)，在這里運(yùn)動(dòng)形式發(fā)生了從量到質(zhì)的飛躍。其最重要的特點(diǎn)就是在一定宏觀條件下的穩(wěn)定性，這是由統(tǒng)計(jì)規(guī)律所制約的。統(tǒng)計(jì)規(guī)律的另一個(gè)特點(diǎn)是永遠(yuǎn)伴隨著漲落現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)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(guān)系。漲落現(xiàn)象fluctuation:當(dāng)對(duì)所研究系統(tǒng)的某一宏觀物理量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，每次測(cè)得的實(shí)際數(shù)值必然會(huì)表現(xiàn)出相對(duì)于它的統(tǒng)計(jì)平均值的偏差，這種現(xiàn)象稱為漲落”。有關(guān)漲落現(xiàn)象的例子很多，如布朗運(yùn)動(dòng)

3、就是一典型例子。布朗運(yùn)動(dòng)是分子運(yùn)動(dòng)論的重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，布朗運(yùn)動(dòng)的研究對(duì)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(yùn)動(dòng)而引起的電流漲落現(xiàn)象。如，當(dāng)用電流計(jì)測(cè)量微弱的電流時(shí)，如果待測(cè)的電流小于漲落電流，或待測(cè)電流引起的電流計(jì)線圈的偏轉(zhuǎn)小于線圈本身的布朗運(yùn)動(dòng)，則這種測(cè)量將無(wú)法進(jìn)行。漲落是大量微觀粒子的一種統(tǒng)計(jì)平均行為，是大量微觀粒子如分子、原子、電子等無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。漲落的相對(duì)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(lǐng)與現(xiàn)實(shí)世界的這種特別明顯的

4、不協(xié)調(diào)性，強(qiáng)烈地追求一致性的哲學(xué)沖動(dòng)驅(qū)使他對(duì)牛頓綱領(lǐng)的基礎(chǔ)概念、理論前提進(jìn)行重新考慮。從那時(shí)起，一門(mén)可以稱之為復(fù)雜性科學(xué)的研究綱領(lǐng)就逐漸出現(xiàn)在新世紀(jì)人們的面前。普里戈金復(fù)雜性科學(xué)的范式經(jīng)典熱力學(xué)所研究的都是外在近平衡區(qū)的體系，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，體系內(nèi)部所發(fā)生的過(guò)程都是線性的。這是不是說(shuō)，時(shí)間向下的衰變效果是發(fā)生在線性關(guān)系中？在遠(yuǎn)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(gè)體系，當(dāng)它被外力驅(qū)使到遠(yuǎn)離平衡的區(qū)域時(shí)，其內(nèi)部占統(tǒng)治地位的是一些非線性關(guān)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(duì)內(nèi)部或外部發(fā)生的小變化（稱為隨機(jī)的漲落和干擾）特別敏感。在外部作用的某些閾值上，

5、整個(gè)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(yàn)就演示了這個(gè)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(wèn)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(gè)更加活躍”的層次，這就是化學(xué)變化、生長(zhǎng)與死亡，它們超出了當(dāng)量關(guān)系和守恒的范圍。能量的轉(zhuǎn)化不過(guò)是一種差別的消失，同時(shí)伴隨著另一種差別的產(chǎn)生，只要有差別（如溫度差或勢(shì)能差等）才能產(chǎn)生也是差別的結(jié)果。將體系驅(qū)使到遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)形態(tài)）0因此，只要自然界中有差別，有流動(dòng)，就會(huì)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(xué)中不可逆過(guò)程往往被當(dāng)作討厭的東西，是干擾，是造成時(shí)間之矢朝下（無(wú)序化）的根源，而在遠(yuǎn)離平衡的地方卻成為從無(wú)序、從熱混沌到有序的源泉。普里戈金把這種新結(jié)構(gòu)叫做耗散結(jié)構(gòu)，以強(qiáng)調(diào)耗散過(guò)程（不可逆過(guò)程）在這類(lèi)結(jié)構(gòu)的形成中所起的建設(shè)性作用。由于引進(jìn)了時(shí)間”，引進(jìn)了過(guò)程的不可逆性，將演化將歷史帶進(jìn)了自然科學(xué)，說(shuō)明自然界不僅是在空間中存在著，而且是在時(shí)間中生成并消逝著。普里戈金實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)時(shí)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(gè)非常重要的方面，它涉及到哲學(xué)史上一個(gè)長(zhǎng)期爭(zhēng)論不休的“決定論”問(wèn)題。首先，新理論指出，在熱力學(xué)體系中漲落對(duì)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(jī)運(yùn)動(dòng)（熱運(yùn)動(dòng)）。物理學(xué)家玻恩指出，從宏觀尺度看，一切觀測(cè)都要受到布朗運(yùn)動(dòng)（分子的熱運(yùn)動(dòng)）的限制。這就是說(shuō)，在宏觀層次上，自然界以其漲落的特征給我們的精確觀測(cè)加上了限制，按普氏的看法，這不是一種實(shí)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?cè)谶@里似乎遇上了與量子力學(xué)類(lèi)似的境況，在牛頓力學(xué)中，這類(lèi)因素被認(rèn)為是可以忽咯的偏差，隨著測(cè)量手段的精確化，沒(méi)有理由認(rèn)為不能排除。而在經(jīng)典熱力學(xué)中，這類(lèi)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(wú)序態(tài)）跑”的原因。從哲學(xué)的觀點(diǎn)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(gè)個(gè)體充分自由的”活動(dòng)方式，導(dǎo)致體系整體狀態(tài)的最大

8、無(wú)序態(tài)。其次在遠(yuǎn)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(qiáng)了，因而個(gè)體不能以足夠隨機(jī)的方式”動(dòng)作,但在臨界點(diǎn)附近，系統(tǒng)有可能失穩(wěn)”，這時(shí)該點(diǎn)附近的個(gè)別漲落有可能在非線性的相互作用下被放大成巨漲落（長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)出現(xiàn)了），從而導(dǎo)致體系的一種與這個(gè)特殊的“個(gè)別漲落”有關(guān)的新的宏觀的有序態(tài)。這樣一來(lái)，體系的演化就不可能完全是“決定論的，對(duì)它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述既要使用決定論的語(yǔ)言，也要使用概率論的語(yǔ)言：首先，體系在外部參量的控制下逐漸達(dá)到遠(yuǎn)離平衡的臨界狀態(tài)，這是一個(gè)嚴(yán)格決定論過(guò)程，由必然性所支配。一旦體系達(dá)到臨界狀態(tài)（又稱分叉點(diǎn)），按自組織理論，從本質(zhì)上

9、說(shuō)不可能事先決定該體系的下一步狀態(tài)，而要由這個(gè)時(shí)刻，處于特定位置的漲落的性質(zhì)和分叉的穩(wěn)定性來(lái)決定。這樣，上述那個(gè)由必然性支配的過(guò)程受到偶然性的破壞，在分叉點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)了向新的必然性的轉(zhuǎn)化。這一切構(gòu)成了體系演化的獨(dú)特性、個(gè)體性，正因?yàn)槿绱?、人們不可能以科學(xué)觀測(cè)為依據(jù)，對(duì)體系的未來(lái)行為作準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，至多只能預(yù)言可能發(fā)生的情況。與體系進(jìn)一步遠(yuǎn)離平衡態(tài)，常常會(huì)出現(xiàn)一種看上去非?；靵y的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如發(fā)生過(guò)程的不連續(xù)性、非周期性、峰值的不規(guī)則移動(dòng)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(duì)初始條件的細(xì)微改變異常敏感”。我們可以在化學(xué)反應(yīng)、氣候變化、電子電路、心臟突發(fā)性病變、股票市場(chǎng)、生態(tài)系統(tǒng)等各類(lèi)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)這類(lèi)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(jiǎn)單的無(wú)序態(tài)，而是一種在微觀上（個(gè)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(shí)間的尺度。這么多尺度交織在一起，相互嵌套。從整體上看就