从熵增原理到耗散结构理论世界是物质的。宏观的物质世界是由大量的分子、原子这些微观粒子组成的。一个孤立的多分子系统一定倾向于自发的演化为微观状
态数最多的状态。系统一旦达到最稳定的平衡状态，如果不改变环境，系统将永远停留在这个平衡态上。熵是以上描述的定量表述，平衡态的熵最大
，任意状态的熵表征该状态偏离平衡态的程度。以上。但以上不是结尾。热力学第二定律清楚的告诉我们，系统总是自发的从非平衡趋向平衡，从有
序趋向无序，世界自发不断退化，走向混乱。但是，生命是如何进化出来的？自然界有20种氨基酸，一个蛋白质分子可以包含成千上万个氨基酸分
子。只有这些氨基酸分子按特定的排列方式组织起来，才能使形成的大分子具有蛋白质功能。这不是极为有序的行为吗？再说在各级生命体——分子
、细胞、组织、个体、群体，都是呈现出极为有序的现象。达尔文的进化论说明，通过长期的优胜劣汰、适者生存的自然选择，进化的结果总是导致
种类繁多而又结构复杂，这不也是有序的增加吗？怎么会有一种理论解释物理、化学现象时取得巨大成功，对生物现象又完全不适用，甚至是完全相
反呢？这种理论还能是科学吗？能有这种矛盾，应该是我们忽略了什么。化学家的做法是延伸热力学第二定律，发展出耗散结构理论。所以，了解耗
散结构理论之前，我们还是从物理化学现象出发。第一个例子：贝纳德对流。贝纳德在1900年做了这个实验。实验利用一薄层流体，让其上下表
面各与一恒温热源板接触。当两板的温度相等时，可以想见，流体处于平衡态。这时，从宏观上看，流体各处温度、密度相等；微观上看，流体内分
子处于最均匀分布，最混乱的状态。现在逐渐升高下板温度，上下板有温度差时，热量会通过流体从下板传递到上板。开始时这个温度差不大，流体
内部会形成下高上底的温度梯度。但从分子角度看，这时流体内的分子热运动还是无序的，每个分子都是独立的不受其他分子影响的自顾自的运动。
继续升高下板温度，也就是让整个系统越来越远离平衡态，当上下板温差达到某一临界点时，原来表面看起来静止的流体会突然出现许多规则的六角
形对流格子！这时，分子好像被组织起来了，用规则有序的对流方式替代了之前的均匀，混乱，无序的热运动！第二个例子：激光。激光（LASE
R），是光受激辐射放大（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiati
on）的简称。我们先来搞清楚什么是受激辐射。光是如何产生的？电子绕原子核做圆周运动时，电子所处的轨道不是任意的，而是量子化的。（量
子化是与连续的相对立的概念，它指的是一份一份的，间断的）当电子从高能级轨道跃迁回低能级轨道时，释放的能量以光子的形式辐射出来，就形
成了光。释放的能量必等于电子跃迁的两个能级差，所以有ΔE=hυ(h是鲁普朗克常数；υ是光波的频率）。电子的跃迁行为会有三种情况：吸
收，自发辐射，受激辐射。吸收就是当电子吸收的外界能量（电、光、热）恰好等于某两个能级的能量差时，电子就会从这个低能级跃迁至对应的高
能级。电子跃迁至高能级后，叫做激发态，是不稳定的，会自发的跃迁回能量最低的基态轨道，这个过程叫做自发辐射。自发辐射的特点是这个过程
与外界无关，各个电子的辐射都是自发的、独立的进行，所以自发辐射的光的方向、频率、相位、偏振都是不一样的。日常见的灯光都是自发辐射。
受激辐射是怎么一回事呢？当激发态的电子受到能量为E=hυ的光子影响时，电子从高能级跃迁至低能级，这两个能级的能量差恰好等于hυ，释
放的能量也为hυ，同时辐射的光子的能量也是hυ，辐射光子与外来光子是一模一样，就像复制的一样，具有相同的方向、频率、相位、偏振。一
个光子hυ射入一原子体系，离开这个体系时形成了两个或更多个的光子，这些光子的特征完全相同，这就是光放大。好了，想要形成激光，就是要
让受激辐射在以上的三个过程中占绝对主导的地位。这要克服两个矛盾。第一个。在热力学平衡态时，电子在各个能级上是按照玻尔兹曼定律分布的
，基态电子数最多，随着能级升高，电子数呈e指数下降。也就是说，当光子hυ射入一原子体系时，吸收过程一定是远远大于受激辐射过程的。那
怎么解决这一矛盾呢？简单来讲就是用能量把电子泵送至高能级上，并且这个泵送的速率一定要大于电子跃迁回来的速率。当高能级的电子数大于低
能级的电子数时，受激辐射过程就有可能大于吸收过程。解决了第一个矛盾，还有第二个。就是要让受激辐射过程大于自发辐射过程。上面说了，激
发态的电子会自发跃迁回基态，但辐射出的光是射向四面八方的，我们简单的设计出一种装置，让这些偏离装置轴向的光很快逸出装置，只有沿轴向
的光留在装置内，这些光子就成为引起受激辐射的外界刺激因素。受激辐射一旦触发，激发态电子数又占总电子数绝对多数，那么相同的光子，一个
变两个，两个变四个，像雪崩一样被放大，激光变产生出来。那么激光是什么？它是原本混乱，无序的光子忽然以同样的方向、偏振、频率、相位，
一个一个列队一样的辐射出来。有点像阅兵一样。这是不是及其有秩序的过程呢。所以，在物理、化学系统里我们也是能找到从低级的混乱运动向高级的宏观有序运动演变的自组织过程。有序来自于无序。我们需要建构另一种理论——耗散结构理论。 |
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