耗散结构与自然界的不可逆性——“热力学诗人”普里高津在经典力学的图景中

在经典力学的图景中，时间是可逆的，发生在过去与未来的事件没有根本区别。但在近50年前，诺贝尔化学奖得主、物理化学家普里高津将不可逆性和时间之箭引入经典热力学，拓展了我们对热力学的理解：不可逆过程不仅可以破坏秩序，增加宇宙的熵，也可以创造高度有序的复杂结构和生命本身。
2017年，在普里高津诞辰100周年之际，美国物理学会（AIP）旗下的非线性科学跨学科期刊Chaos发表纪念文章，回顾了普里高津不同时期的学术贡献，以及这位“热力学诗人”与其他科学家的交谊。
撰文|DilipKondepudi ， TomioPetrosky ， JohnA.Pojman
翻译|张澳
审校|梁金

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原文链接：https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5008858
1.热力学诗人
熟悉伊利亚·普里高津（IlyaPrigogine）的朋友和同事称他为“热力学诗人” ，这是一个恰当的描述。当普里高津谈论热力学和不可逆过程时，人们感觉他理解的内容比他的语言传达的内容更多。我们周围的自然过程是不可逆的，这是事实。不可逆过程不仅增加了宇宙的熵，破坏了秩序，也可以完成与此相反的事情：创造高度有序的复杂结构和生命本身。
普里高津认为这是热力学对自然揭示出的一个深刻方面。当他看到著名的南印度雕塑Nataraja（跳舞的湿婆，刻画了一支完美平衡创造与毁灭的宇宙之舞）时，他确保在自己的艺术收藏中有一尊艺术价值极高的Nataraja青铜雕像。这个雕像的照片成为了他与PaulGlansdorff合著的ThermodynamicTheoryofStructureStabilityandFluctuations[1]（《结构稳定性与涨落的热力学理论》）一书的封面。它是热力学的诗篇，是从同一源头涌现出的创造和毁灭，是完美平衡的宇宙之舞。人们可以从普里高津关于热力学的论述中推测出这一切。

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图1.ThermodynamicTheoryofStructureStabilityandFluctuations（《结构稳定性与涨落的热力学理论》）封面上跳舞的湿婆
耗散结构是近50年前普里高津为不可逆过程所产生的复杂结构而命名的。正如这篇庆祝他诞辰一百周年（普里高津出生于1917年1月25日）的文章所表述的那样，耗散结构的研究仍然是一个非常活跃的课题，不断向新领域推进。如果继续研究下去，我们可能会获得更深刻的见解，甚至可能发现新的法则或定理，以更好地理解复杂结构是如何自发形成的，及其对物理参数变化的响应和集体行为。这些在其它领域中的进步，也是我们对生物过程，甚至是那些创造生命的过程的热力学理解的探寻。
普里高津深信不可逆过程在自然界的中心地位和时间之箭的真实性，但他不得不面对令人烦恼的物理学的二元性。从时间可逆的经典力学观点来看，发生在未来或过去的运动（及物质的所有转变）没有根本区别。因此许多人认为不可逆过程和时间之箭不可能是真实的，仅是一个幻觉，是我们因能力有限而创造出来的幻觉。普里高津极其反对关于不可逆过程和时间之箭的这种观点。很多时候，我们看到他在演讲和咖啡馆的谈话中充满激情和确定性地说：“不可逆过程创造了我们，但我们没有创造它们。 ”有时，他的表述更加文学化：“我们是时间之箭、演化之箭的孩子，而不是其祖先。 ”
为了适应不可逆过程和时间之箭的现实，必须对经典力学进行修正，或者扩展其表述。为此，他推动了非幺正变换（non-unitarytransformation）理论的发展。他在1977年诺贝尔演讲[2]的总结发言中指出：“通过非幺正变换理论引入热力学不可逆性，深刻改变了动力学结构。我们从群到半群，从轨迹到过程。这种演变与本世纪我们对物质世界描述的一些主要变化是一致的。 ”这个理论至今还在继续发展。