化學(xué)研究中的協(xié)同學(xué)的理論方法
化學(xué)先生 / 2019-08-20
協(xié)同學(xué)(Synergetic)是 20世紀70年代發(fā)展起來的一門新興科學(xué)，是德國斯圖加特大學(xué)教授赫爾曼.哈肯(Hermnarm Haken)創(chuàng)立的。早在20世紀60年代，他在研究激光理論時，就逐步形成了協(xié)同學(xué)的基本思想,1977年建立了協(xié)同學(xué)的基本原理。
1975 年，哈肯在《現(xiàn)代物理學(xué)評論沖，發(fā)表了題為“遠離平衡系統(tǒng)和非物理系統(tǒng)的合作現(xiàn)象”的論文,1977年出版了專著<協(xié)同學(xué)導(dǎo)論》。哈肯在早年研究激光理論時就發(fā)現(xiàn)，當將外界的能量用泵輸人激光器時，會出現(xiàn)下述情況:當泵的功率小于某一特定閾值時,被激活的原子彼此獨立無序地發(fā)出不相干的光波列，這時激光器和普通的燈一樣，所發(fā)出的光的相位和方向都完全是無序的，只發(fā)出白光,但當泵的功率達到某- 特定閾值時，情況就發(fā)生了質(zhì)的變化,各個原子好像懂得互相配合一樣，它們都變成了同相振蕩，發(fā)出相位和方向都整齊劃一的單色光，其波列長度可達30萬千米，發(fā)射的光強隨著輸人功率的增大面急劇增加。哈肯對這類問題進行了認真的思考:究竟是什么原因使這些子系統(tǒng)(在激光中是被撒話的原子)有非常好的協(xié)同動作呢?
為了回答上述問題，哈肯考察了其他一 些類似的問題。經(jīng)深人研究，得出了一殷性的結(jié)論。他指出:一個由大量子系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)，在一定條件下，由于各個子系統(tǒng)相互作用、相互協(xié)作.就會使系統(tǒng)形成有一定 功能的自組織結(jié)構(gòu).從面在宏現(xiàn)上會形成各種時間結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)，也就是形成一種新的有序狀態(tài)。 哈肯把這種要素之間的聯(lián)合作用超出要素自身的單獨作用，因面對整個系統(tǒng)做出貢獻的過程稱為協(xié)同過程。他還對各種系統(tǒng)從無序到有序的自組織轉(zhuǎn)變機制用協(xié)同學(xué)的主方程加以描述。主方程表示系統(tǒng)的概率分布隨時間變化的情況,用概率分布描述微觀隨機過程的宏觀表現(xiàn)。所以，主方程能有效地描述由大量無規(guī)則行走的要素(或子系統(tǒng))構(gòu)成的系統(tǒng)隨時間變化的規(guī)律。此外，哈肯還移植和引用T朗道最先引進處理結(jié)構(gòu)相變的“序參量”概念。當系統(tǒng)完全無序時，序參量為零.隨著外界條件的變化.序參量也發(fā)生變化，當系統(tǒng)達到臨界點時，序參量就會增到最大值。從面使系統(tǒng)形成一個有序結(jié)構(gòu)。哈肯還通過計算,確定了系統(tǒng)序參量的范圍，從各序參量的競爭與協(xié)同中，定量地說明了系統(tǒng)的自組織過程。協(xié)同學(xué)的理論方法，對化學(xué)研究也有十分普遍的意義。例如，對解釋溶液理論中“相似相溶原理”，化學(xué)反應(yīng)中的協(xié)同反應(yīng)對稱性允許和對稱性禁阻的反應(yīng)化學(xué)運動的微觀粒子運動和它們的宏觀表現(xiàn)等，都提供了有意義的思想方法。
協(xié)同學(xué)中的移植 和類比方法，對化學(xué)研究也很有啟發(fā)。例如，協(xié)同學(xué)中的“協(xié)同”“自組織”等概念，就是哈肯從生物學(xué)、社會學(xué)等學(xué)科中移植來的。對于“自組織”的解釋，哈肯就舉了一個非常通俗的例子。他指出:如果一個工人集體，按照領(lǐng)導(dǎo)或經(jīng)理發(fā)出的外部指示或命令,進行協(xié)調(diào)的活動，這就是組織，或者叫做組織功能;如果這個工人集體不是靠外部的指示或命令，而是按照他們自己相互間的某種默契或某種規(guī)則。各盡其責(zé)，協(xié)調(diào)工作，這就是自組織.可見、組織是蘇外部指令完咸的，自組織則是靠系統(tǒng)內(nèi)部各個子系統(tǒng)自己的行為面自行完成的。哈肯正是從這個意義上，把研究系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間由于自身自發(fā)的協(xié)同動作，而在宏觀上產(chǎn)生有秩序有組織的結(jié)構(gòu)和功能的學(xué)間稱為協(xié)同學(xué)，協(xié)同學(xué)不僅研究系統(tǒng)的初態(tài)和組織化的未態(tài)，還要說明這種過程和轉(zhuǎn)化的機制，探索各種不同系統(tǒng)實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的共同規(guī)律。協(xié)同學(xué)的這種研究，已引起化學(xué)家的普遍重視，多年來困擾著化學(xué)家的反應(yīng)機理陽反應(yīng)過程，有望用協(xié)同學(xué)的方法做出理論上的說明，這就為現(xiàn)代化學(xué)的研究開拓了一條新路。對這種意義，化學(xué)家看得越來越清楚了.哈肯本人也認為，他的協(xié)同學(xué)有極為普遍的意義。他指出:“近幾年來.在物理學(xué)和化學(xué)系統(tǒng)中.存在著來自混沌狀態(tài)的很有組織的結(jié)構(gòu)。如時間結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、時空結(jié)構(gòu),這樣的例子假多，這些結(jié)構(gòu)是自發(fā)的、自組織起來的。當許多系統(tǒng)從無序到有序時，它們星現(xiàn)出非常近似的行為。”“從微生物甚至從混沌狀態(tài)而自發(fā)形成的很多有組織的結(jié)構(gòu),乃是科學(xué)家所面臨的最吸引人的現(xiàn)象和最富于挑戰(zhàn)性的問題。"在哈肯1977年出版的《協(xié)同學(xué)導(dǎo)論沖，主要討論的是非平衡相變的問題，在后來的研究中，他也注意到平衡相變問題。協(xié)同學(xué)與耗散結(jié)構(gòu)，互相補充，殊途同歸，共同推動了自組織理論的發(fā)展:這些研究對說明各種形式相變的機理,有普遍的方法論意義，為現(xiàn)代化學(xué)研究開拓了一條新道路。
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