準穩態

物理學準穩態metastability)是動力系統的穩定狀態,但不是系統的最低能量狀態。一顆球停在斜坡上的一個淺坑中是準穩態的一個例子。如果這個球只被輕推一下,它仍會回到淺坑內,但力量大一點的推一下,球可能就會滾下斜坡。保齡球柱受到撞擊時就會表現出準穩態:要麼只是搖晃一陣子,要麼就完全傾倒。科學中另一個常見的準穩態的例子是化學上的同分異構物。高能同分異構物的壽命很長,因為它們的勢壘壁障非常高,需要很大的力量才能回到基態

微弱的準穩態(1)、過渡“鞍”形結構(2)和穩定狀態(3)。


在準穩態有限的壽命中,所有描述狀態的參數都達到並保持穩定。在隔離下:

  • 直到系統中加入更多的外部能量,能量最低的狀態勢系統在無限長的時間內唯一會存在的狀態(唯一的“絕對穩定”狀態);
  • 系統會自發的離開任何其他的狀態(更高的能量),最終返回(經過一系列的躍遷)到能量最低的狀態。

準穩態的概念起源於物理學的過渡階段。在原子核或原子、分子、大分子或原子和分子的團簇中聚集的次原子粒子研究中獲得了新的意義。後來,這個名詞被借用在研究決策和資訊傳輸系統。

準穩態在物理學化學中是很常見:從原子(多體集合)到分子的統計組合(黏性流體、非晶固體、液晶、礦物等等),在分子水準上作為一個整體(參見準穩態物質顆粒堆)。當系統變得更龐大和它們相互作用力在空間上不太均勻或更多樣化時,狀態的豐富度更為普遍。

動力學系統I(與回饋),如電子電路、信號傳輸、決策系統和神經科學 ━有源或無功模式相對於外部影響的時間不變性與外部影響定義穩定性和準穩態(參見腦準穩態)。在這些系統中,分子系統熱漲落英语Thermal fluctuations等價性是影響訊號傳播和決策的"白雜訊"。

統計物理與熱力學编辑

非平衡態熱力學是物理學的一個分支,研究分子通過不穩定狀態的統計集合的動力學。被困在熱力學的低谷而不處於最低能量狀態,被稱為具有動力學穩定性或動力學持久性。所涉及的特殊運動或動力學,儘管有更好的(更低能量)替代品,仍逗留在該狀態。

物質狀態编辑

準穩態(也稱為次穩態)的物質狀態範圍從熔融固體、沸騰液體(或冷凝氣體)和昇華固體過冷液體或過熱液氣混合物。極純淨的過冷水將液體保持在0°C以下,並一直保持這種狀態,直到經由振動或冷凝種子摻雜啟動結晶中心。這是在大氣雲滴的常見情況。

凝態物質和大分子编辑

準穩態是凝態和結晶學中常見的相。值得注意的是,銳鈦礦二氧化鈦的準穩定態多晶體,由於有較低的表面能,通常是許多合成過程中形成的第一相,但總歸還是準穩態;金紅石是所有二氧化鈦同質異形體在溫度和壓力下最穩定的相[1]。另一個例子是,僅在非常高的壓力下是穩定相的鑽石,但在標準的溫度和壓力條件下是碳的準穩定態。它可以轉化為石墨(加上剩餘的動能),但只有在克服活化能 ━一個中間的能量障壁━ 之後。麻田散鐵是用來控制大多數鋼鐵硬度的準穩態;通常看到石英二氧化矽準穩態的多晶型。在某些情況下,例如固體同素異形體中,很難獲得穩定相的樣品[2]

聚合物建構塊之間的鍵,例如DNARNA、和蛋白質也是準穩態的。三磷酸腺苷是一種高度穩定的準穩態分子,通俗的說是"充滿能量",可以在生物學中的許多方面使用[3]

一般而言,乳化/膠體系統和玻璃是準穩態的,例如,二氧化矽的玻璃,其準穩態的特點是壽命長達1098[4]。相較於宇宙的年齡迄今仍只有約14·109年(140億年)。

存在陡坡或隧道的沙堆模型英语Abelian sandpile model是一個可以表現出準穩態的系統。沙粒由於摩擦而形成一堆。整個大沙堆有可能達到一個穩定的狀態,但單單加入一顆沙粒會導致它的大部分坍塌。

眾所周知的一個事實,在陡峭的山坡上有大量的雪和冰晶,會造成雪崩。在乾燥的條件下,雪坡的作用類似於沙堆。但由於滑雪者的存在,甚至是巨大的噪音或振動,整個山坡的雪都可能突然滑落。

量子力學编辑

量子力學所描述的次原子粒子聚合物系統(核子內的夸克原子核內的核子、在原子內的電子分子原子團),具有許多可區分的狀態。當然,其中一個(或一個小的簡併設定是無限期的穩定:基態全域最小值

除了基態以外的其它所有態(或隨基態退化的態)都有更高的能量[5]。在所有這些其它的狀態,準穩態是那些比集合中最短壽命狀態的壽命至少長102至103倍的狀態。[來源請求]

準穩態是長壽命的(對於能量鄰近的同質異構物相對穩定英语Chemical stability,但不是永恆的(就像最小值一樣)。在基態以上的能階被激發時,它最終會釋放出能量,衰變到更穩定的狀態。實際上,一個在絕對零度以上的系統,所有的狀態都有非零的衰變概率;也就是說,會自發的落入另一個狀態(通常是能量更低的狀態)。其中一種機制是通過隧道

核物理编辑

相關條目编辑

參考資料编辑

  1. ^ Review of the anatase to rutile transformation in the Journal of Materials Science 2011
  2. ^ van Setten; Uijttewaal; de Wijs; de Groot. Thermodynamic stability of boron: the role of defects and zero point motion (PDF). JACS. 2007, 129 (9): 2458–2465. PMID 17295480. doi:10.1021/ja0631246. 
  3. ^ Haldane, J. B. S. Eighteen: Genesis of Life. D. R., Bates (编). The Planet Earth 2nd. Germany: Pergamon Press. 1964: 332 [May 29, 2017]. ISBN 1483135993 (英语). This is a highly stable molecule. About 11,500 calories of free energy are liberated when it is hydrolized to phosphate and adenosine-diphosphate (ADP). 
  4. ^ M.I. Ojovan, W.E. Lee, S.N. Kalmykov. An introduction to nuclear waste immobilisation. Third edition, Elsevier, Amsterdam, p.323 (2019)
  5. ^ Hobson, Art. Tales of the Quantum: Understanding Physics' Most Fundamental Theory. Oxford University Press. 2017. ISBN 9780190679637 (英语).