20世紀，一系列諸如貝納德對流、鐳射、B-Z反應等物理、化學實驗，揭示了大自然非平衡、非線性有序構型——自組織現象。

普利高津“耗散結構理論”的創立為人們探索大自然從簡單到複雜、從無機演化到有機演化、從非生命到生命進化提供了全新的思路。

探索大自然複雜性的“耗散結構理論”不僅詳細、準確、深刻地揭示了自組織現象形成的環境與產生的條件，而且還提出了一系列深刻、豐富的科學哲學思想。

所謂自組織現象就是在某一系統或過程中自發形成的時空有序結構或狀態的現象，也可以稱之為非平衡非線性現象。

在人類生活的自然界中充滿了許多令人費解的用傳統科學理論難以解釋的這種自組織現象。

今天就來講一下貝納德對流。

貝納德對流

人們最早發現的自組織現象是由法國科學家貝納德（Benard）於1900年利用流體實驗發現的“熱對流”現象（它後來被稱為貝納德對流或貝納德不穩定性）。

實驗物件是一層流體，上下各與一塊溫熱源板接觸，即在一個水平容器中注入一薄層液體，然後從下面均勻緩慢地加熱，同時維持上面溫度不變。

當上下溫度相等（T1＝T2）時，液體各層的溫度實際上是均勻的，該系統處於熱力學平衡態。當底部溫度逐步升高（T1＞T2）且溫度梯度較小時，液體處於非平衡狀態，流體中的熱交換主要是靠熱傳導方式進行的，此時沒有宏觀的運動發生，流體保持靜止。

不斷增大上下兩板溫度差△T（△T＝T1—T2），就把液體越來越推向遠離平衡的狀態。

當溫度梯度達到新臨界值時，原來靜止的流體會突然產生上下對流運動。

一般情況下，流體下層被加熱的部分膨脹，密度變小，這部分液體由於浮力而向上運動，熱交換後冷卻，然後回到底部形成對流，這是符合常規的一個過程。

但在貝納德實驗中卻出現了非常驚奇的現象：

流體產生的上下運動是很規則的，從側面觀察到相互緊挨的非常有序的流體“卷”（俯視的貝納德對流是正六邊形格子）。

是一個穩定的對流有序圖形，它是貝納德對流的一種，產生該圖形的容器的形狀是矩形，仔細分析一下這個有序圖形可以發現，該圖形的基本組成單元是以相反方向旋轉的兩個流體“卷”，這個基本組成單元的寬度是流體層深度的兩倍。

貝納德對流實驗圖

另外，在這個矩形容器中，流體“卷”與矩形的短邊相平行。

更有趣的是，對流有序圖形的平面形狀完全取決於流體層的邊界（容器的幾何形狀）。

如在一個圓形的容器中，對流有序圖形為幾何圓環，一般來說，只有當流體沒有自由表面時，才能觀察到一個穩定的流體“卷”圖形。

貝納德對流實驗表明，流體處於平衡或近平衡態下，液體分子在熱平衡傳導狀態下在各個方向上作雜亂無章的熱運動，透過無規則的碰撞傳遞能量；

當流體上下兩層溫度梯度超過某一臨界值後，流體處於遠離平衡態下，液體內部的分子形成上下對流，在對流狀態下千千萬萬個分子自動組織起來，集體地參加統一的運動，呈現出一定花樣，它們以統一方向作宏觀運動。

能量正是透過這種宏觀對流而得到有序傳遞。流體分子集體運動呈現出的花樣特徵其線度的數量級為10-1釐米，這意味著僅一個水花中參與集體運動的分子數目就達1021個之多。

貝納德對流中，整齊有序的組織構型，從無序的熱運動中自發產生出來，液體系統的穩定性正是由這種整齊有序組織所導致。

顯然“這是一種不能被已為人們所熟悉的熱力學原理所解釋的有序度。”

傳統熱力學理論告訴我們，熱量增加意味著熵增加，意味著系統無序狀態的增強。

“這種新的宏觀有序的出現，也可以理解為某種宏觀漲落，它透過與環境進行能量交換而得到穩定。……從分子運動的本質看，這種形成結構的現象對應著一種更高水平分子間的協同”。