随机脉冲涨落的物理概念

随机脉冲涨落的物理概念

林诗俊

（新疆乌鲁木齐建设路26号设计院，830002）

摘要：本文对随机脉冲涨落的物理概念和检验方法，对布朗运动和目前正在进行的可控核聚变实验的可行性作了较详细的分析，同时提出了自发熵减的概念。

关键词：碰撞，分子，可控核聚变，随机脉冲涨落,速率趋同效应,自发熵减。

在《碰撞加速原理》[]

一文中对分子之间通过碰撞获得加速的机理以及一个分子连续碰撞均获得加速的概率进行了较详细的分析，文中认为：“一个分子通过n 次碰撞每次碰撞均被碰撞加速的形式属于一种连续碰撞加速形式，我们把它定为第一种碰撞加速形式。第二种碰撞加速形式是传递加速形式。它是当第一个分子碰撞第二个分子后第二个分子被加速，第二个分子碰撞第三个分子后，第三个分子被加速，以此类推的一个n 次碰撞，每次碰撞都是被碰撞的分子被加速的过程。第三中碰撞加速形式是混合碰撞加速形式，它是上面两种碰撞加速形式的两个或多个片段相互连接的n 次碰撞组成。对于气体，三种碰撞加速形式都有，对于液体基本上是第二种碰撞加速形式，而对于固体，完全属于第二种碰撞加速形式。”“ 一个分子可以通过被一系列速度小的分子的碰撞达到很高的速度。一个连续加速过程称为一个加速片段，一个连续减速的过程称为一个减速片段，而一个分子的历程就是由一系列长短不同的连续加速与连续减速的片段组合而成的系列，单个片段的最小长度为一，即只进行一次碰撞”，“由于碰撞加速作用，会发生很多高速运动的分子随机的在液体，气体中的某处或多处局部集中形成局部短时高温热点，与之对应的有很多低速运动的分子随机的在液体，气体中的某处或多处局部集中形成局部短时低温冷点，这些随机的局部高温热点与局部低温冷点要远大于用统计物理学所计算出的涨落幅度，属于一种随机脉冲式的大幅度涨落，可称为随机脉冲涨落”。本文将结合这些结论对随机脉冲涨落的物理概念作更深入的讨论。

1我们知道，不论是气体，液体和固体，他们内部的分子都处在非常频繁的相互碰撞之中，由于任何一个分子在碰撞过程中速度可能增大，也可能减小，可能连续增大，也可能连续减小，而且每次速度改变的量都是不同的，因此，在这种频繁的相互碰撞作用下，系统中的分子的速度不可能相同，任何一个分子的速度都在零和系统允许的最大的速度之间随机的变化，在一段足够的时间内，任何一个分子都会遍历系统允许的任何一种速度，而分子取某一速度的次数与分子系统的速度分布规律相对应，这使得我们不能具体判断某一时刻某一个分子会以何种速度运动，只能判断某一分子以某种速度运动的概率，任何一个分子都具有以系统允许的任何一种速度运动的可能性。从能量的观点来看，一个分子数为N 的分子系统在只考虑分子的平动能的情况下的总能量为： εεN a E N

i i i ==∑=1 （1）

式中为第i 个分子，i a i ε为第i 个分子的动能，ε为平均平动能。由于分子之间相互碰撞的速度改变特性也是分子之间的动能转移特性，因此，系统的总能量不可能均分到每个分子上，在分子间频繁的相互碰撞作用下，分子的运动能在分子间随机的相互传递着，系统中任何一个分子的运动能都在零和系统允许的最大动能之间随机的变化,我们不能判断某一分子在某一时刻具体的动能有多大，我们只能判断某一分子在某一时刻具有的动能的概率。由分子系统中分子之间的相互碰撞特性决定的分子的运动速度的概率特性与能量的概率特性来看，人们是无法得到描述某一时刻任何一个分子的用广义坐标与广义动量表述的微分方程的，因此，想通过对系统的每一个分子都建立一个微分方程，通过解出所有的微分方程来确定分子系统的物理状态的方法是行不通的，解决分子系统的物理问题只能用统计物理学的方法。当系统中高速运动的分子在系统内的某处集中形成随机局部高温热点的时候，在该处也即是随机高能点，表示系统的能量在这里集中或系统的能量流向了这里，当系统中低速运动的分子在系统内的某处集中形成随机局部低温冷点的时候，在该处也即是随机低能点，表示系统的能量在这里扩散或系统的能量从这里流出去了。从随机局部高温热点与随机局部低温冷点的特点来看，随机脉冲涨落并不具有对称性，即在一处涨并不会在另一处必须有落，但是在一处出现涨，在系统的其他地方出现落的可能性相对增大。反之亦然。

以平衡状态下的气体为例，气体分子的速度分布满足麦克斯韦速度分布律，设分子系统的总分子数为N ，以气体分子的平均速率v 为准（当然也可以选方均根速率，最可几速率等），a 为小于1的正数，b 为大于1的正数，则可以形成随机局部低温冷点的分子数为[]：

[]32()∫=v

a dv v f N n 01 （2） 可以形成随机局部高温热点的分子数为：

()()∫∫−==∞v

b v b dv v f N N dv v f N n 02 （3） 其中：

()2223/2

1exp 24v kT mv T k m v f ⎭⎬⎫⎩⎨⎧−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=ππ 为速率分布函数。式中k 为玻耳兹曼常数，T 为绝对温度。a ，b 的选取，视具体情况具体要求选取。由（2）（3）式可知，参与形成随机局部高温热点与随机局部低温冷点的分子数与总分子数成正比，和温度的关系是，随着温度升高参与形成随机局部高温热点的分子增加，而参与形成随机局部低温冷点的分子数减少。否则反之。由气体分子系统的速度分布律，系统的分子大部份集中在速率较小的低端，这样以来随机脉冲涨落就表现出一种不对称的现象，具体表现在每个随机局部高温热点的范围从统计上来看就比随机局部低温冷点小的多，局部低温冷点从产生到消退所经历的时间也相对长的多。当系统中的某些地方产生随机局部高温热点时，往往在系统的其它地方会伴随产生更大范围的随机局部低温冷点，位于重力场

中的随机局部低温冷点会沿重力下降，随机局部高温热点会沿重力上升。当所形成的随机局部高温热点范围较大时，在这个局部短时高温热点范围内，由于分子之间的相互碰撞速度重新分布，这就有可能在这范围内产生更高温度的随机局部高温热点。同理，当所形成的随机局部低温冷点范围较大时，在这个局部短时低温范围内，由于分子之间的相互碰撞速度重新分布，这就有可能在这范围内产生更低温度的随机局部低温冷点。

由于随机脉冲涨落所引起的随机局部高温热点与随机局部低温冷点在分子系统中瞬间形成后会通过分子间频繁的相互碰撞而瞬间消散，因此，在分子系统内很难观察。我们可以通过观测液体表面液体的局部蒸发情况来判断，当液体表面某处的蒸发量与周围比较出现瞬间增大又消退的情况时，我们就可以判断，在这里出现了随机局部高温热点；当液体表面某处的蒸发量与周围比较出现瞬间减小又复原的情况时（大的随机局部低温冷点会使液面局部陷落），我们就可以判断在这里出现了随机局部低温冷点。在实际观测过程中，随机局部高温热点比随机局部低温冷点好观测，不过直接观测蒸发量仍然是很困难的。由于随机脉冲涨落是分子系统内的分子运动能在局部的幅度很大的非平衡的分布，因此，若某处出现一个大的随机局部高温热点就有可能会在系统中的其它地方伴随一个大的或多个相对较小的随机局部低温冷点的产生，同样若某处出现一个大的随机局部低温冷点也有可能会在分子系统中的其它地方伴随一个大的或多个相对较小的随机局部高温热点的产生。由分子系统中分子主要集中在速度较小的低端的特性知，出现一个大的随机局部低温冷点相应的在其它地方伴随多个相对较小的随机局部高温热点的情况较多。通过对随机局部高温热点与局部低温冷点的强度，频度，的观察以及与温度，时间的关系，我们就可以建立起一个反映随机脉冲涨落与分子系统的温度，时间相关的经验关系用于指导实践。

证明分子系统内存在随机脉冲涨落还可以通过观察液体表面是否存在位移特别大的布朗运动来证实，当形成局部高温热点的高速分子在该点运动方向又相同时或部分相同时将形成分子系统位移最大的布朗运动，形成定向高速运动严格说来已经不能称为高温热点了，称为随机高能点更确切，不过从表述的连贯性考虑，下面采用定向随机局部高温热点来表述。如果定向随机局部高温热点的运动方向还是指向液体表面外的，将会形成高速运动的分子喷注。与之相区别的是一般的布朗运动，它是由各种运动速度的分子在局部的运动方向相同或大致相同时形成的。布朗运动在水平方向的投影可以用郎之万（Langevin ）方程[：

]4X dt dx dt

x d m =+α22 （4） 来描述。式中m 为布朗颗粒的质量，x 为水平位移，t 为时间，α为比例系数，X 为水平方向上布朗颗粒所受到的力（水平合外力）。由（4）式可知，我们只要将定向随机脉冲高温热点可能形成的布朗运动的作用力或作用力的表达式求出（这是比较容易办到的）代入（4）式就可以将定向随机脉冲高温热点中分子出现水平定向运动所引起的布朗运动的位移求出来；相反，我们可以通过测定布朗运动的颗粒的位移来证明分子系统中是否存在随机脉冲涨