貝納德花紋

伯納德花紋

宏觀系統的自然傾向是沿著時間箭頭走向平衡態。但實驗發現，當兩種氣體的混合體由於加熱而離開平衡態后，組織便會以一種簡單濃度梯度的形式出現。所示盛有氫氣和硫化氫氣體混合物的容器，使兩端產生並保持一個很小的溫度差，就會發現兩種氣體將逐漸分離，較輕的氫氣多流向較熱的一邊，較重的硫化氫氣則多聚集於較冷的一邊，形成了各自的濃度梯度。這個現象表明，在不可逆的非平衡態過程中，可以產生出有序性。

當系統遠離平衡態時，還會出現更加壯麗的有序組織。1900年，法國的伯納德(Bernard，Henri)首次發現了蜂巢狀的自組織花紋。在一個透明的碟子里加入一些液體，在爐子上加熱，液體在豎直方向上便產生一個溫度差。當液層頂部和底部之間的溫度差達到一個閾值后，對流開始，下層較熱的液體流入上面較冷的部分。這時由於浮力、熱擴散、粘滯力三種作用的耦合而形成液面上大範圍規則的蜂巢狀花紋（“伯納德花紋”）六邊形網格。液體的傳熱方式由熱傳導過渡到了對流，每個六角形中心的液體向上流動，邊界處液體向下流動。這是對流與抑止因素(黏性和熱擴散)競爭的結果。這種蜂巢結構的尺度約為分子間距的一億倍。為了形成這種蜂巢狀的對流單元，無數分子必須遙相呼應、協調行動。這表明，熱的耗散把熵從系統中輸出，使系統低熵的蜂巢結構得以產生並維持下去。