非平衡相变

非平衡相变（nonequilibrium phase transition）是指非平衡系统内，某些物理量达到某一临界值时出现空间或时间上的较有规则或对称性较高的有序结构的现象。相变时某些物理量必须达到的临界值称为非平衡相变 的阈值。

主要理论非平衡相变主要有两大理论。一个是由比利时科学家I.普里戈金于1969年提出的耗散结构理论。它把非平衡相变时出现的有序结构称为耗散结构。它根据动力学方程的稳定性考察非平衡系统的发展趋向，指出只有在远离平衡态的非平衡系统中才可能出现有序结构。在平衡态附近，它只能趋向平衡态。它也用概率论及随机过程方法来分析非平衡系统中的涨落，认为在阈值以下涨落引起的效应，由于平均而变弱或消失；只有达到阈值以后，涨落通过大量粒子间的协同作用而被放大，并引起宏观现象，在系统中形成有序结构。

研究非平衡相变的另一个理论是协同学理论，它由德国物理学家H.哈肯于1977年提出。该理论常用几个参量来描述非平衡系统的发展变化，并认为其中仅有一个或少数几个序参量决定着相变的过程，称这些参量为慢弛豫参数或序参量。有序结构的出现是由于系统内的大量粒子通过相互间的协同作用而形成有规律的集体运动，从而形成有序结构。1

激光激光是受激发射光的简称。激光中的所有光子都有相同的相位和频率，是一种有序程度较高的光场。通常的自然光都是自发发射光，它们的相位、频率都各不相同，是有序程度较低的光场。可把自发发射光看成是光场的无序态，而把激光看成是有序态。当外界提供给发光系统的激发能量（如泵浦光照或电能）不足够大时，发光系统中的受激原子数小于处于基态的原子数，发光系统发射出来的光场均为自发发射光（无序态光场）。一旦当外界激发能量大于某一临界值（阈值），发光系统内的受激原子数超过处于基态的原子数时，系统发射出来的光场就变成为有序态的激光。由自发发射光到激光的转变也是一种非平衡相变。

化学及生物学系统中也存在大量的非平衡相变现象。甚至在人类社会，在经济学方面也存在有这种类似的现象。

实例贝纳德花样。对一装有液体的平底大口径玻璃杯加热，使液体内形成自下向上的温度梯度。当温度梯度达到某一临界值（阈值）时，液体中自动出现一种六角形蜂窝状的图案，即贝纳德花样（见耗散结构）。这时每个蜂窝中的液体从六角形中心上升，在六角形边缘向下流动，形成液体的对流。温度梯度一旦偏离阈值时，贝纳德花样立即消失。贝纳德花样是系统在特定条件下形成的一种稳定而复杂的空间组织或有序结构。它不是分子无规则运动的结果，而是数以亿计的分子协同一致的行动，即是大量分子的一种自组织行为。若把出现贝纳德花样时的状态称为有序相，而把以前的状态称为无序相，则出现贝纳德花样的现象就相应于非平衡系统由无序相向有序相的相变。2

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李航 - 副教授 - 西南大学