平凡人
第1楼2009/03/26
二、化学混沌论的特点
长期以来,人们受传统观念束缚,总习惯于将化学过程提炼成一种定态过程和孤立体系来研究,而真实的化学过程却不是一种静止的、孤立的过程,它是一种在开放体系中发生的动态过程。因此,化学混沌概念的提出弥补了经典热力学的缺陷,使人们研究的化学过程更接近真实的过程。化学混沌是指在真实的化学体系中存在的混沌现象,它是一种远离平衡态、处于非线性区的无序的均匀态,与传统经典热力学相比,具有如下四大特点:
1.时空微观有序而宏观无序:平衡态是熵最大状态即最无序状态,是分子水平上的无序,微观上的无序;混沌只有在远离平衡态下才会出现,是由一种时空宏观有序的耗散结构失去稳定性而出现的宏观上无序的现象。
2.局域不稳定而整体稳定:对孤立体系而言,平衡态是稳定的状态;化学混沌是体系远离平衡条件,处于非平衡态的非线性区,是一种无序的均匀态,在局域范围内不稳定而整体稳定。这使得混沌运动具有某种“随机性”,也就是表象上看到的混沌运动“混乱的”重要原因。
3.灵敏初条件:真实的化学过程初始条件的微弱差异,会引起结果巨大不同的化学混沌过程。即化学混沌对初始条件是敏感的,因此称为灵敏初条件。用天文气象的“蝴蝶效应”来形象地比喻就是:今天在北京城上空一只小蝴蝶飞翔时搅动了空气就会某时在纽约形成狂风暴雨。
4.分数维的空间结构:分数维即为非整数维。欧几里德几何是整数维的,而自然界绝大部分是分数维的结构。例如:海岸线的长度,取决于测量时所用尺的长度大小,如用的尺越小,可测量到更多曲折的地方。海岸线的长度是无限可分的,混吨的空间结构也是无限可分的。
三、化学混沌论的应用
混沌论在化学科学中的最主要的现象是化学振荡(规则的、周期性的化学变化,也称化学钟)和化学湍流(不规则、非周期性的化学变化)。自50年代以来化学振荡在各方面的应用日益广泛,其中在分析化学中应用较多。当体系中存在浓度振荡时,其振荡频率与催化剂浓度间存在依赖关系,据此可测定作为催化剂的某些离子。
此外,在化学振荡基础上发展起来的电化学振荡更广泛地运用于理论研究和应用实践(如仿生学、临床医学等)。人们根据生物膜或人工膜对某些分子(乙醇、糖类、胺等)具有独特的电位振荡特征来模拟味觉、嗅觉的生物过程,作为识别分子的信号来模仿味觉和嗅觉器官,其中味觉传感器的研究在模拟生物膜模型、离子在生物膜中转移机理等仿生学研究领域具有重要意义,在食品检测与控制、环境保护等领域具有广阔的应用前景;脑电波、心电图(电位差振荡)等也在临床诊断和病理研究中获得应用;在生物信息传递方面,根据动物大脑的电位振荡方式对外界刺激所产生的响应建立的神经动力学模型,研究生物神经活动过程,探索人们对动物以及人的大脑活动的认识之谜,从而进一步为人类服务。
总之,化学混沌是一种关于化学过程的科学,是关于化学过程演化的化学。它与传统的经典热力学相互补充,将促进人们对实际、真实的化学过程的研究和认识,必将推动化学乃至其它学科的进一步发展。正如对耗散结构理论研究作出重大贡献的诺贝尔奖获得者普里戈金教授所说的那样:“对我们以自身为尺度的世界的发现才刚刚开始,而且看来从宏观或微观尺度上对世界的探索同样地充满着令人惊奇的事情.”