自組織現(xiàn)象課件

自組織現(xiàn)象：經(jīng)典熱力學(xué)指出，在孤立系中，即使初始存在某種有序或差別，隨著時(shí)間的推移，由于不可逆過(guò)程的進(jìn)行，這種有序?qū)⒈黄茐?，任何的差別將逐漸消失，有序狀態(tài)將轉(zhuǎn)變?yōu)樽顭o(wú)序的狀態(tài)——平衡態(tài)，此時(shí)的熵達(dá)到最大。熱力學(xué)第二定律又保證了這種最無(wú)序的狀態(tài)的穩(wěn)定性，它再也不能自發(fā)的逆向轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻臓顟B(tài)了。對(duì)封閉系統(tǒng)，例如某恒溫定體的系統(tǒng)，平衡態(tài)時(shí)自由能最小。F=U－TS在低溫情況下內(nèi)能的貢獻(xiàn)可能成為主要因素，當(dāng)溫度下降時(shí)，由分子排列的某種有序化引起的內(nèi)能的下降對(duì)自由能的貢獻(xiàn)，有可能超過(guò)由熵下降而造成的自由能的增加，于是系統(tǒng)有可能處于一種低內(nèi)能低熵的某種相對(duì)有序狀態(tài)，但無(wú)論有序無(wú)序其出現(xiàn)的概率都是最大的。這是平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)理論的基本假設(shè)——等概率假設(shè)決定的。自組織現(xiàn)象：1按照上述觀點(diǎn)解釋液體和固體中有序結(jié)構(gòu)的形成的理論稱為波爾茲曼有序原理。低溫下在液體和固體中出現(xiàn)的這種有序結(jié)構(gòu)稱為平衡結(jié)構(gòu)。波爾茲曼有序原理無(wú)法解釋生物中的有序現(xiàn)象。自然界中約有20種不同的基本氨基酸，若按等概率觀點(diǎn)，那么形成某種特定的氨基酸殘基排列方式的蛋白質(zhì)分子的概率是極小的。例如一個(gè)具有100個(gè)氨基酸殘基的蛋白質(zhì)分子，20個(gè)不同種類的氨基酸殘基可有10130種排列方式，若按等概率觀點(diǎn)，要想得到某種特定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子的概率為10-130，不可能出現(xiàn)。假設(shè)蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘基的排列方式可以自動(dòng)調(diào)整，每秒可以變換106次排列方式，也要等待10124S，地球的年齡為1017S，與實(shí)際情況不符。按照上述觀點(diǎn)解釋液體和固體中有序結(jié)構(gòu)的形成的理論稱為波爾茲曼2實(shí)際上，在生命過(guò)程中，從分子和細(xì)胞到有機(jī)個(gè)體和群體的不同水平上，無(wú)論在空間上還是在時(shí)間上都呈現(xiàn)出了有序現(xiàn)象。概括起來(lái)，一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部由無(wú)序自發(fā)變?yōu)橛行颍蛊渲写罅糠肿踊騿卧匆欢ㄒ?guī)律運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，稱為自組織現(xiàn)象。按照達(dá)爾文的生物進(jìn)化學(xué)說(shuō)及社會(huì)學(xué)家關(guān)于人類社會(huì)進(jìn)化學(xué)說(shuō)，發(fā)展過(guò)程總是趨于種類繁多，結(jié)構(gòu)和功能變的復(fù)雜，生物體系和社會(huì)體系趨于更加有序更加有組織，而不是象經(jīng)典熱力學(xué)對(duì)于孤立體系所描述的那樣，總是趨于平衡或無(wú)序。人們?cè)?jīng)把這種不一致解釋為，生命現(xiàn)象與非生命現(xiàn)象由不同規(guī)律支配。實(shí)際上，在生命過(guò)程中，從分子和細(xì)胞到有機(jī)個(gè)體和群體的不同水平3無(wú)生命世界中的自組織現(xiàn)象：天空中的云會(huì)排列成整齊的魚鱗狀（細(xì)胞云）或帶狀間隔排列（云街），高空中的水蒸汽凝結(jié)會(huì)形成非常有規(guī)則的六角形雪花，火山巖漿形成的花崗巖中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)非常有規(guī)則的環(huán)狀或帶狀結(jié)構(gòu)。激光的發(fā)明生命世界中與無(wú)生命世界中的自組織現(xiàn)象促使人們認(rèn)識(shí)到，這兩個(gè)世界在這方面遵循相同的規(guī)律。耗散結(jié)構(gòu)與非平衡態(tài)熱力學(xué)自組織現(xiàn)象說(shuō)明，系統(tǒng)在外界持續(xù)的作用下，被驅(qū)使到遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)，當(dāng)外界作用超過(guò)一定的臨界值時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)將發(fā)生突變，從而進(jìn)入一種空間或時(shí)間有序狀態(tài)。由于這種有序的結(jié)構(gòu)是靠不斷消耗外界的能量和物質(zhì)的條件形成和維持的，因而稱為耗散結(jié)構(gòu)。研究系統(tǒng)從無(wú)序到有序的轉(zhuǎn)換規(guī)律，熱力學(xué)的這一分支稱為非平衡態(tài)熱力學(xué)。（線形非平衡態(tài)非線形非平衡態(tài)）無(wú)生命世界中的自組織現(xiàn)象：天空中的云會(huì)排列成整齊的魚鱗狀（細(xì)42.熵與熱寂威廉.湯姆孫在1852年首先提出熱寂說(shuō)，他在關(guān)于自然界中機(jī)械能耗散的一篇論文中提出：在自然界中占統(tǒng)治地位的趨向是能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊岫箿囟壤剑罱K導(dǎo)致所有的物體的工作能力減小到0，到達(dá)熱死狀態(tài)。他在1862年發(fā)表的關(guān)于太陽(yáng)熱的可能壽命的物理考察的論文中，更明確提出：熱力學(xué)的第二個(gè)偉大的定律孕含著自然的某種不可逆作用原理，這個(gè)原理表明雖然機(jī)械能不可滅，卻會(huì)有一種普遍的耗散趨向，這種耗散在物質(zhì)的宇宙中會(huì)造成熱量逐漸增加和擴(kuò)散，以及勢(shì)的枯竭，如果宇宙有限并服從現(xiàn)有定律，那么結(jié)果將不可避免的出現(xiàn)宇宙靜止和死亡狀態(tài)?？藙谛匏乖?865年也提出：宇宙的熵趨于一個(gè)極大值，那時(shí)宇宙將處于某種惰性的2.熵與熱寂威廉.湯姆孫在1852年首先提出熱寂說(shuō)，他在關(guān)于5死寂狀態(tài)。湯姆孫與克勞修斯將宇宙視為有限、孤立的絕熱系統(tǒng)，并得出以上結(jié)論，在物理學(xué)界引起了百余年的激烈爭(zhēng)論，一些物理學(xué)家認(rèn)為，把以地球上的實(shí)驗(yàn)為根據(jù)建立的原理推廣到整個(gè)宇宙，是很難置信的。恩格斯在1869年給馬克思的信中曾嚴(yán)厲批判過(guò)宇宙熱寂說(shuō)，他說(shuō)：“既然這種理論認(rèn)為現(xiàn)在世界上轉(zhuǎn)化為其他各種能的熱能的數(shù)量日益超過(guò)可以轉(zhuǎn)化為熱能的其他各種能的數(shù)量，那么，作為冷卻的起點(diǎn)的最初的熾熱狀態(tài)自然就無(wú)法解釋，甚至無(wú)法理解，因此，就必須設(shè)想有上帝的存在了。”他指出：宇宙達(dá)到熱平衡，熱運(yùn)動(dòng)能量已無(wú)法在轉(zhuǎn)換，已不成其為能量，即能量被消滅了。能量具有死寂狀態(tài)。湯姆孫與克勞修斯將宇宙視為有限6永恒的轉(zhuǎn)換能力，“放射到太空中的能量一定有可能通過(guò)某些途徑轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N運(yùn)動(dòng)形式?！盁峒耪f(shuō)”的要害在于忽視了引力場(chǎng)在宇宙演化中的作用。在天體物理領(lǐng)域，引力效應(yīng)起著舉足輕重的作用。引力的影響相當(dāng)于使系統(tǒng)受外界的干擾，