化学研究中的协同学的理论方法
化学先生 / 2019-08-20
协同学(Synergetic)是 20世纪70年代发展起来的一门新兴科学，是德国斯图加特大学教授赫尔曼.哈肯(Hermnarm Haken)创立的。早在20世纪60年代，他在研究激光理论时，就逐步形成了协同学的基本思想,1977年建立了协同学的基本原理。
1975 年，哈肯在《现代物理学评论冲，发表了题为“远离平衡系统和非物理系统的合作现象”的论文,1977年出版了专著<协同学导论》。哈肯在早年研究激光理论时就发现，当将外界的能量用泵输人激光器时，会出现下述情况:当泵的功率小于某一特定阈值时,被激活的原子彼此独立无序地发出不相干的光波列，这时激光器和普通的灯一样，所发出的光的相位和方向都完全是无序的，只发出白光,但当泵的功率达到某- 特定阈值时，情况就发生了质的变化,各个原子好像懂得互相配合一样，它们都变成了同相振荡，发出相位和方向都整齐划一的单色光，其波列长度可达30万千米，发射的光强随着输人功率的增大面急剧增加。哈肯对这类问题进行了认真的思考:究竟是什么原因使这些子系统(在激光中是被撒话的原子)有非常好的协同动作呢?
为了回答上述问题，哈肯考察了其他一 些类似的问题。经深人研究，得出了一殷性的结论。他指出:一个由大量子系统构成的系统，在一定条件下，由于各个子系统相互作用、相互协作.就会使系统形成有一定 功能的自组织结构.从面在宏现上会形成各种时间结构空间结构，也就是形成一种新的有序状态。 哈肯把这种要素之间的联合作用超出要素自身的单独作用，因面对整个系统做出贡献的过程称为协同过程。他还对各种系统从无序到有序的自组织转变机制用协同学的主方程加以描述。主方程表示系统的概率分布随时间变化的情况,用概率分布描述微观随机过程的宏观表现。所以，主方程能有效地描述由大量无规则行走的要素(或子系统)构成的系统随时间变化的规律。此外，哈肯还移植和引用T朗道最先引进处理结构相变的“序参量”概念。当系统完全无序时，序参量为零.随着外界条件的变化.序参量也发生变化，当系统达到临界点时，序参量就会增到最大值。从面使系统形成一个有序结构。哈肯还通过计算,确定了系统序参量的范围，从各序参量的竞争与协同中，定量地说明了系统的自组织过程。协同学的理论方法，对化学研究也有十分普遍的意义。例如，对解释溶液理论中“相似相溶原理”，化学反应中的协同反应对称性允许和对称性禁阻的反应化学运动的微观粒子运动和它们的宏观表现等，都提供了有意义的思想方法。
协同学中的移植 和类比方法，对化学研究也很有启发。例如，协同学中的“协同”“自组织”等概念，就是哈肯从生物学、社会学等学科中移植来的。对于“自组织”的解释，哈肯就举了一个非常通俗的例子。他指出:如果一个工人集体，按照领导或经理发出的外部指示或命令,进行协调的活动，这就是组织，或者叫做组织功能;如果这个工人集体不是靠外部的指示或命令，而是按照他们自己相互间的某种默契或某种规则。各尽其责，协调工作，这就是自组织.可见、组织是苏外部指令完咸的，自组织则是靠系统内部各个子系统自己的行为面自行完成的。哈肯正是从这个意义上，把研究系统中各子系统间由于自身自发的协同动作，而在宏观上产生有秩序有组织的结构和功能的学间称为协同学，协同学不仅研究系统的初态和组织化的未态，还要说明这种过程和转化的机制，探索各种不同系统实现这种转化的共同规律。协同学的这种研究，已引起化学家的普遍重视，多年来困扰着化学家的反应机理阳反应过程，有望用协同学的方法做出理论上的说明，这就为现代化学的研究开拓了一条新路。对这种意义，化学家看得越来越清楚了.哈肯本人也认为，他的协同学有极为普遍的意义。他指出:“近几年来.在物理学和化学系统中.存在着来自混沌状态的很有组织的结构。如时间结构、空间结构、时空结构,这样的例子假多，这些结构是自发的、自组织起来的。当许多系统从无序到有序时，它们星现出非常近似的行为。”“从微生物甚至从混沌状态而自发形成的很多有组织的结构,乃是科学家所面临的最吸引人的现象和最富于挑战性的问题。"在哈肯1977年出版的《协同学导论冲，主要讨论的是非平衡相变的问题，在后来的研究中，他也注意到平衡相变问题。协同学与耗散结构，互相补充，殊途同归，共同推动了自组织理论的发展:这些研究对说明各种形式相变的机理,有普遍的方法论意义，为现代化学研究开拓了一条新道路。
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