非平衡相變

非平衡相變（nonequilibrium phase transition）是指非平衡系統內，某些物理量達到某一臨界值時出現空間或時間上的較有規則或對稱性較高的有序結構的現象。相變時某些物理量必須達到的臨界值稱為非平衡相變 的閾值。

基本介紹

• 中文名：非平衡相變
• 外文名：nonequilibrium phase transition
• 適用領域：非平衡系統
• 套用學科：非線性科學

主要理論

非平衡相變主要有兩大理論。一個是由比利時科學家I.普里戈金於1969年提出的耗散結構理論。它把非平衡相變時出現的有序結構稱為耗散結構。它根據動力學方程的穩定性考察非平衡系統的發展趨向，指出只有在遠離平衡態的非平衡系統中才可能出現有序結構。在平衡態附近，它只能趨向平衡態。它也用機率論及隨機過程方法來分析非平衡系統中的漲落，認為在閾值以下漲落引起的效應，由於平均而變弱或消失；只有達到閾值以後，漲落通過大量粒子間的協同作用而被放大，並引起巨觀現象，在系統中形成有序結構。

研究非平衡相變的另一個理論是協同學理論，它由德國物理學家H.哈肯於1977年提出。該理論常用幾個參量來描述非平衡系統的發展變化，並認為其中僅有一個或少數幾個序參量決定著相變的過程，稱這些參量為慢弛豫參數或序參量。有序結構的出現是由於系統內的大量粒子通過相互間的協同作用而形成有規律的集體運動，從而形成有序結構。

雷射

雷射是受激發射光的簡稱。雷射中的所有光子都有相同的相位和頻率，是一種有序程度較高的光場。通常的自然光都是自發發射光，它們的相位、頻率都各不相同，是有序程度較低的光場。可把自發發射光看成是光場的無序態，而把雷射看成是有序態。當外界提供給發光系統的激發能量（如泵浦光照或電能）不足夠大時，發光系統中的受激原子數小於處於基態的原子數，發光系統發射出來的光場均為自發發射光（無序態光場）。一旦當外界激發能量大於某一臨界值（閾值），發光系統內的受激原子數超過處於基態的原子數時，系統發射出來的光場就變成為有序態的雷射。由自發發射光到雷射的轉變也是一種非平衡相變。

化學及生物學系統中也存在大量的非平衡相變現象。甚至在人類社會，在經濟學方面也存在有這種類似的現象。

實例

貝納德花樣。對一裝有液體的平底大口徑玻璃杯加熱，使液體內形成自下向上的溫度梯度。當溫度梯度達到某一臨界值（閾值）時，液體中自動出現一種六角形蜂窩狀的圖案，即貝納德花樣（見耗散結構）。這時每個蜂窩中的液體從六角形中心上升，在六角形邊緣向下流動，形成液體的對流。溫度梯度一旦偏離閾值時，貝納德花樣立即消失。貝納德花樣是系統在特定條件下形成的一種穩定而複雜的空間組織或有序結構。它不是分子無規則運動的結果，而是數以億計的分子協同一致的行動，即是大量分子的一種自組織行為。若把出現貝納德花樣時的狀態稱為有序相，而把以前的狀態稱為無序相，則出現貝納德花樣的現象就相應於非平衡系統由無序相向有序相的相變。