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热运动与自组织的本质——时空统计热力学

时间:2015-05-18  作者:宋太伟
  定义 2 :物体的可以通过吸收或放射光(时间变换),实现相互转换的时空结构形态,称为同类时空结构形态,简称同类结构。用Ш表示。

同类结构可以是一个微观粒子(原子)吸收或放射一个光子的某些单粒子时空结构形态;也可以是多粒子体系中某些粒子团、或整个系统的时空结构形态集合,某一时空结构形态集(通过所包含粒子)同时吸收或放出一个光子集,实现向另一个同类时空结构形态集的转换。

物体在稳态下,温度一定,总内能与内能密度不变,此时同类时空结构形态总集为简并态,宏观表象是不随时间变化的“确定态”。简并态为特殊同类结构,(简并态之间为零光子转换跃迁,或内部子集之间放射与吸收对等、与外界零光子集交换的转换跃迁)。在3维拓扑空间中,空间结构是点集。同能u的同类结构的数量用MШ表示。

任何物体都可以有不同层面的同类结构,比如,总体的、局部的、大粒子层面的、大分子层面的、原子层面的等。下文论述的同类结构,主要是总体的或局部的、大分子层面或原子层面的。

粒子占据或呈现的同能同类结构,是没有先后顺序的,也就是说,粒子在同能同类结构中,是同时出现的,态之间的转换不需要时间,或者说没有结构态之间的转换或跃迁。这是微观世界统计属性的主要表现之一。

均质稳态下,物体整体时空结构形态总集为同能u简并态,简并态总集由全部粒子同类时空结构形态子集组合叠加构成。同能u简并态之间的转换,是构成简并态的众多子时空结构形态之间,放、吸光子集(光子集亦为时空结构形态集)实现的,与单粒子的同能同类结构态之间的转换一样,多粒子体系简并态之间的转换也是不能分辨的,或者说是没有区别的,时间变换不变(即与时间无关),统计意义上是等同的。同一时刻各组成粒子的能量(级)可以不同,但存在稳定的能级或波谱统计分布,与时间无关;同一粒子(微观上可能难以界定)不同能同类态之间随机跃迁变换,宏观稳定态下同一粒子能级的时间统计分布,与任意时刻多粒子能级的空间统计分布,遵循同样的分布规律。均衡态下时空等价性决定物体内部任何区域的任意小包络内的粒子或粒子团,存在确定的能谱分布。这决定了物体总时空结构形态集进行拓扑变换的内在关联性(拓扑集簇元素之间的关联性)。多粒子体系,在均衡稳态状态下,多粒子随机热运动的空间关联与时间关联,宏观表现为热内能恒定关系。

定理 2 :多粒子体系的粒子能量ε(热运动能)大小,与对应同类时空结构态(简并态)的数量mШ正相关,ε与mШ同增减。

相应的,稳定态下,热内能密度u ,与对应的同能同类时空结构态总集的态数量MШ正相关,u与MШ同增减。

定理2实际上揭示了运动与空间的关系,本质是时空关联。

对同类时空结构态总集来讲,不难理解:u越大,总集的不同粒子的不同能级同类态的叠加组合结构形式越多,MШ当然越大。对单粒子来讲,粒子能量ε体现在单粒子的时空结构形态中,粒子运动能量越大,其运动的空间越大,时空结构形态的复杂性或变化性越大,简并态更容易形成,粒子同类时空结构态(简并态)的数量mШ随粒子能量ε增大而增大是自然的选择,这实质蕴藏着粒子同样可分为更小的多粒子结构的自然逻辑。

令 mШ= f(ε/β)(13)

其中,β= k T,k为玻尔兹曼常数,T为物体温度。f函数与系统和粒子的结构有关。

多粒子体系,同类结构不同能量(级)态之间存在发射或吸收光子的跃迁(单粒子或粒子之间)。显然,能级越高,向低能级跃迁的几率越大,能级越高出现的几率越小;同时,能级ε态向低能级跃迁的几率与低于ε的各能级的简并态数成正比。因此,能级ε态出

现的几率正比于 。考虑到(13)式,多粒子体系,单个粒子热运动能取ε值的几率g(ε)可以表示为:

g(ε)= C f(ε/β) (14)

其中C为归一化常数。g(ε)也可以称为热运动粒子的能谱。

稳定态时,均质多粒子体系中,粒子的平均热运动能为:

= 时空统计热力学 (15)

积分形式 = 本质 (16)

其中可以取∞。多粒子体系的总热运动内能U或u 为对所用粒子的平均热运动能之和。

2.2.1.3 统计逻辑基础

由众多单元组成的大集合系统,个体单元的某些属性具不确定性、随机性,但系统整体表现出这些属性的稳定性、确定性,这是运用统计逻辑的前提。自然界的任何物体,都是由微观粒子(波)组成的,无穷多的微观粒子的运动状态不可能准确描述,但物体整体表现出一些物理性质的稳定性、可度量性,这意味着现实世界本身具有统计属性。表现一定程度的统计规律,是自然界的普遍现象,统计逻辑是自然界的本质逻辑之一。宏观现实世界的物体的许多物理性质,用微观粒子的理论体系来描述、解释,首先应用的是统计逻辑。

假设由极大数N个粒子(单元)组成的大系统,任意粒子(单元)i对应的某一物理量用ai表示,某一时刻整个系统所有粒子的物理量a组成一个该物理量集A,表示为:

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