可測與不測風雲

智慧之窗:可測與不測風雲

「相變」(phase transformation) 是自然界中最奇妙的現象之一,亦是筆者博士論文的議題。在某些地區冬天的早晨,當打開窗簾往外一看,忽見冰樹銀花,與遍地鋪滿一層雪白細沙,於朝陽下閃閃發光,把不起眼的後院,變了童話世界,相信大家已明白,這是昨夜下雪的原因所致,至於水結成了冰,卻是一種極為稀奇的景象。此類由液體轉成固體的相變,通常是「一級相變」(first order),而該相變是無法推斷。即是說,若將純淨水的溫度慢慢降低,接著無論如何測量它的物理性質:比方密度,或者比熱、折射率、偏蒸氣壓等「熱力學函數」,你也不能預測這水會在某個溫度下,忽然變成冰。換言之,若不清楚水在甚麼溫度結冰,便無法預計它在哪個溫度會結冰,可見那種相變是突如其來。

有關相變種類

當然我們知曉相變有許多種,除了液體凝聚為固體(水結冰),氣體凝聚為液體(水蒸氣成為露水)「三相變化」之外,還有不少別的相變例子,如磁鐵在加溫時,其「鐵磁性」(Ferromagnetism)會頓時消散,又有些金屬的電阻在降溫時,其電阻會突然消失等,足見物質相變前的物理性質,跟其相變後是截然不同。
另一種「二級相變」是能預料的,試想把適當的水及油,放在一個封閉的空間裡,由於它們是互不相溶,因此會出現水歸水、油歸油,以「相界面」(interface)分割為兩個不一樣的「相態」(phase)。但如果將該密封的油-水混合物的溫度不斷攀升,油和水的物理性質卻逐漸接近(最終皆成為高壓跟高密度的氣體),於是它們便分不開,造成一個「油水交融」的新「相態」(非油非水,亦油亦水)。假若此混合物油水的比例正好符合「臨界值」,並於溫度增高的過程中,兩個相態不單維持著它們的獨特性,同時亦有「相界面」分割為二,直至成了一個新相態後,那分割的「相界面」就在當刻瞬間消逝。從這裡能夠看到此種「二級相變」,可在相變之前預計「相變」出來。
到底我們怎曉得「二級相變」何時會發生?再以油-水系統為例,基於油與水的折射率是很大差別,故它們之間的相界面能強烈反射光,使我們不難發現在溫度提高時,那反射度會隨著下降,當我們預測該反射度是零的溫度,油相及水相的折射率便一致,所以我們可以知道,在此溫度的二級相變就會發生。雖則真實的情形靠近臨界點時,比上述的複雜得多,不過這基本的概念是正確。
然而在臨界點以油和水為主的相態中,分別已互相含有對方許多的物質,該兩個共存相態的性質已經逐步接近,故此在兩個相態裡,水及油的成份之波動(fluctuations)遞增,一處像油,另一處像水,並且那波動的幅度,在靠近相變時會無限變大,直至到達臨界點,它們便變成一個。隨著溫度再升高,波動的幅度漸漸變小,而成為一個均勻相態。所以若這時把溫度降低,波動的幅度又開始增加,預告相變點的到來,正如有部分人在發脾氣前(從一個安詳的人,變了暴跳如雷的人),先是愈來愈坐立不安,有時看似是沒事,有時
看起來又不對勁,接著臉色慢慢變紅,脖子也變粗,聲音變得時大時小,由此「情緒波動」的增強,你能預料到他將會大發脾氣,這是類似一種「二級相變」。

各類型的例子

此外,目前全球的平均溫度,不僅難以準確的測量,而且平均每年變化不多。根據美國太空署的報導,過去60年來,地球的平均溫度總共上升了0.6℃,因此每年的平均溫度增長得太少,究竟我們是不是面臨暖化被毀滅的危機?這個能夠預測嗎?生命存在與不存在也是兩個「相態」,由存在到不存在的相變時,會遇上幾級的相變呢?從物理的角度,有些理論認為若全球暖化再發生的話,平均氣溫即使變得很小,惟氣候的「波動幅度」卻猛增,預告暖化的來臨。假如此理論是正確,縱觀全球氣候大幅度的波動,真是件令人憂心的事。更何況那類的相變是愈變愈快,當人發現有問題的時候,恐怕便不容易挽回。
至於中國和西方文化本是大相逕庭,不過彼此也摻入了對方的色彩,而兩種文化在經濟的壓力,及交流便利的情況下,亦逐漸地相像,該像為一種二級相變:我們大致能預計它們,最後變成只有一種文化,可是在改變之前,「文化波動幅度」必然迅速擴大,社會的動亂地跟著變得厲害,直至一個穩定的新文化(新相態)產生出來為止。對於那文化波動幅度(社會不安),會否將整個人類文明先傾覆,就不得而知。
其餘尚有眾多可以討論的問題,比方阿爾茨海默氏病(Alzheimer disease),這可能是一種相變,假若屬於一級相變,那便是不能預測的變化;如屬二級相變,就有某種「記憶波動幅度」的顯明,可在發病之前預測的。除此之外,生與死、氣候、股票市場……或許是該類的相變例子。
基督徒相信上帝之後,生命卻會改變(即是「重生」),因為「若有人在基督裡,他就是新造的人,舊事已過,都變成新的了。」(《聖經•哥林多後書》五章17節),這類似一級相變,換言之是此「新生命」,跟他的「舊人」共存(兩個相態),那新和舊均維持其不變的本性,只是起初舊的較多,慢慢會轉變為新的了!

黃小石

(號角月報2019年10月【生命線】)

No Comments Yet.

Leave a comment

You must be Logged in to post a comment.