自然与人-30.36   自组织过程的人工实验及本质分析

李开乐

    摘要：贝纳德实验加热后液体自发形成六角形花纹，再加温会出现滚筒式运动，继而又变为湍流形式。煮开水锅中的水一直进行着复杂的环流变化，也可简单体验耗散结构形成过程。贝纳德花纹并非耗散结构，沸腾模式才是稳定的耗散结构。不能在本质上混淆。

    对一个盛有薄层液体的平底容器底部进行均匀加热，液体到达一定温度时就会突然自发地形成六角形结构，液体从六角形的中心向上流而从边缘流下，或者相反（视中心与边缘之间的火力差异而定），这就是贝纳德花纹；如果进一步加温到超过某一临界值时，液体会出现从左向右或者从右向左的滚筒式运动；继续加温又会转变为湍流形式。这是有关液体有序环流结构（耗散结构）自组织过程的人工实验。
    其实，最普通的煮开水过程，也是一种形成耗散结构的自组织过程的最简单体验。水煮开前温度不断升高，若打开锅盖，可以明显见到整个锅中的水都在对复杂的环流进行着不断的调整变化。当达到100℃时，水温不再升高，贴紧锅底的水直接汽化将热能释放掉，水中的环流模式也再没有任何变化了。这最后的现象叫做沸腾，是稳定有序的环流模式──耗散结构。
    人工实验和煮开水过程，都是协同规律在不断发挥作用对无序的分子热运动进行调整，将热量不停的从锅底传开并重新分布的过程。由于煮水锅不像实验装置那么要求严格，所以形成不了漂亮的贝纳德花纹，也分不清沸腾之前各种环流形式的变化调整阶段。但是，如果打开锅盖细细观察，也可发现整个煮水过程中，为了将热能不停的从锅底传开并重新分布，协同规律同样不断地变换形式对环流进行着越来越复杂和激烈的调整，让液体环流更趋有序。到了最后，不论贝纳德实验或者煮开水，都肯定是以沸腾的环流模式而告终。
    从本质看，贝纳德花纹、滚筒式运动等各种环流形式都不能称为耗散结构，它们与环境之间并无进行有效的能量交换，仅仅是为了将液体内部的热能重新分配而表现出来的不同环流现象。由于它们并未有效地将能量从液面耗散出去，所以，环流的结果都未能使液面能量的重新分配和释放与锅底的恒定热能供给之间取得相互平衡。调整到最后的沸腾模式（贝纳德实验最后也可能是湍流形式，因薄层液体散热快，未必需要通过直接汽化才能取得平衡）才能真正算为稳定的耗散结构，才是一种有序运行的开放系统，它可以稳定地一直维持到把水煮干，把热能转化为动能而令水汽飘向天空。
    贝纳德花纹是只有用薄层平底加热容器做实验才能出现的有关耗散结构形成过程中的一种有趣的环流现象；煮开水过程虽然不出现贝纳德花纹，却也是最通俗的日常化的耗散结构形成过程。如果只知道贝纳德实验的奇异表面现象而不知其内在实质，把实验过程中有趣的贝纳德花纹当成了“耗散结构”，而且津津乐道，就会使开放系统、耗散结构这些概念十分神秘。笔者年轻时曾经听过几天“耗散结构”的课，就总觉得深不可测，满脑浆糊，不知所用，原因正是教者茫茫，学者渺渺。只有充分揭示贝纳德实验的本质，将它与实质上完全相同的煮水系统联系在一起，才能使大众也了解相关的知识，将自然科学常识还原于人民大众。这正说明了真理本来很简单，复杂难懂的大论未必都是真理。
    显然，大自然系统中的自组织功能是一种自动完成的，能使系统形成和保持有序运行的非线性综合协同调节规律。贝纳德实验和煮开水过程都体现了能量充足的系统中自组织功能在自动起作用；大至宇宙蛋黄的自转形成过程也是自组织功能在高温下自动起了作用。