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沙子里的图案


□ 厚美瑛

  摘 要文章从物理学家的角度探讨颗粒体系中有序图案的产生和机理,探寻对广泛存在于自然界的非平衡态体系有序结构生成的理解.非平衡态体系的随机扩散与能量耗散的特性是有序结构生成的必备条件,所生成的图形则由这两个因素的权重比值和体系内部的对称性决定.具备以上因素,还需加上最后的一个决定性的关键因素,这就是熵的驱动.熵最大的态决定了体系是有序还是无序的排列.
  关键词颗粒物质,有序结构,复杂体系
  
  Patterns in the sand
  
  HOU Mei-|Ying
  (Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080,China)
  
  AbstractThe formation of patterns and its underlining mechanism in granular systems are discussed from a physicist's point of view. These findings may help us understand the patterns formed in other more complex non-equilibrium systems. It is found that the randomization and dissipation properties of non-equilibrium systems are the underlining mechanisms for pattern formation. The symmetry of the system and the ratio of the weight factors of the above two mechanisms determine the pattern shapes. A final and key factor for pattern formation is the 2nd law of maximization of the entropy, which determines if a system is organized orderly or disorderly. Examples in granular systems are given to illustrate the above view points.
  
  Keywordsgranular matter, pattern formation, complex system
  
  热力学第二定律的熵趋于最大似乎在告诉我们世界应走向混屯,然而宇宙间无所不在的美丽景观使得人们惊叹并敬畏上帝,认为只有假借上帝之手,这数千万分之一的微小概率才有可能实现使世界成为我们所看见的井然有序,有天有地,有花有草,有山川有河流.自然界富含有序,人们惊叹于自然界无所不在的有序结构还在于许多这些有序结构是由随机涨落自发产生的.借助于下面威廉·布雷克的诗,本文将从物理学家的角度由极其普通的沙子的特性来展现世界的复杂与美丽.
  To see the world in a grain of sand,
  And a heaven in a wild flower;
  Hold infinity in the palm of your hand,
  And eternity in an hour.
   ——by William Blake
  一沙一世界,
  一花一天国;
  君掌盛无边,
  刹那含永劫.
   ——李叔同译
  
  沙子太为人们所熟知,以至于大多情况下为我们所视而不见.比如,我们知道,除非温度降到零度以下,人无法在水上行走;然而虽然我们可以倒沙如倒水一样,但我们却理所当然地认为,沙子能像固体一样支撑我们的重量.
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摘自:物理 2008年第02期  
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