[科普中国]-亚稳定性

亚稳定性是介于稳定与非稳定的一种状态，即不同稳定状态之间会出现迁移的现象，这就是我们所说的亚稳定性。

亚稳态现象亚稳态指的是按相平衡条件，应发生相变而未发生的状态。常见的亚稳态现象有如下几种：

过饱和蒸气按相平衡条件，在某一温度，当气体的分压大于其在该温度下的饱和蒸气压时，该气体将白发凝聚成液体或固体。但新生成的凝聚相颗粒极其微小。根据开尔文公式，微小颗粒的蒸气压远远大于该物质的正常蒸气压。因此，虽然该气体的分压已经大于其正常蒸气压，但对于将要形成的微小新相颗粒来说仍未饱和，当气体十分纯净时，往往其分压大于其饱和蒸气压仍不能凝聚。这种按相平衡条件应凝聚而未凝聚的气体称为过饱和蒸气（supersaturated vapor）。蒸气中的灰尘、容器的粗糙内表面都可以成为蒸气的凝聚中心，使新生成的凝聚相从一开始就具有较大的曲率半径，这样在蒸气的过饱和程度较小的情况下，蒸气就可开始凝聚。人工降雨就是根据这个原理向云层中撒入固体颗粒。使已经饱和的水蒸气凝聚成雨的。

过冷液体在一定压力下，当液体的温度已低于该压力下液体的凝固点，而液体仍不凝固的现象，叫过冷现象，此时的液体称为过冷液体（supercooling liquid）。根据开尔文公式，晶体微粒越小，蒸气压越高，在正常凝固点晶体微粒不能产生。只有当液体过冷至某一温度后，此时晶体微粒的平衡蒸气压等于液体的平衡蒸气压，才可能有新相形成。避免过冷现象的关键在于促使新相晶核顺利产生。为此，可在液体冷却到凝固点附近时加入少量晶体作为新相种子，液体达到凝固点时会自动在这些晶体微粒表面析出沉积；同时，要加强搅拌。

过热液体沸腾是液体从内部形成气泡、在液体表面上剧烈气化的现象。但如果在液体中没有提供气泡的物质存在时，液体在沸点时将无法沸腾。这种温度高于沸点但仍不沸腾的液体，称为过热液体（superheated liquid）。

液体沸腾时首先在液体底部形成气泡，根据开尔文公式，小气泡形成时气泡内饱和蒸气压远小于外压，而微小气泡若稳定存在，必须克服三种压力：大气压力P大、液体静压力P静及气泡凹液面产生的附加压力P曲，仅当气泡内蒸汽压P内满足P内（P大+P静>P曲）时，气泡才能成长上升。新生成的微小气泡不能满足这一条件，因而不能稳定存在。这样便造成了液体在沸点时不沸腾，温度继续升高的过热现象。过热较多时，会发生暴沸。

过饱和溶液在一定条件下，晶体的颗粒愈小其溶解度愈大。所以将溶液进行恒温蒸发时，溶质的浓度逐渐增大，达到普通溶质晶体的饱和浓度时，对微小晶体溶质却仍未达到饱和状态，作为晶体成长核心的晶核难以析出。为了使晶核能自动生成，需要将溶液进一步蒸发，达到一定的过饱和程度，晶体才可能不断析出。这种按相平衡条件，应当有晶体析出而未析出的溶液，称为过饱和溶液。

在结晶过程中，若溶液的过饱和度太大，将生成很细小的颗粒，不利于过滤或洗涤，会影响产品的质量。在生产中常采用向结晶器中投入小晶体作为新相种子的方法，防止溶液过饱和程度过高，可获得较大颗粒的晶体。

上述亚稳态的共同特征是，它们都偏离平衡而处于较高的能量状态。从热力学观点看，它们是不稳定的，但是却能相对持久存在。出现亚稳态的原因是由于新相的种子难以产生。上面提出的各种防止方法都是为了创造条件，以有利于新相种子的形成，促使各种系统由亚稳态过渡到平衡状态。在科研和生产中，有时需要破坏亚稳态，如上述的结晶过程。但有时则需要保持亚稳态长期存在，如金属的淬火。1

细胞神经网络中的亚稳定性随着对稳定性研究的深入，我们发现当一个细胞神经网络系统中出现多个平衡点时可以观察到在外界噪音的影响下，多个稳定平衡点之间轨道会出现迁移的现象而大量科学研究也表明，在物理学；化学和生物学的相关数学系统中因为噪音的影响系统不同稳定状态之间出现了迀移而随机振荡这就是所谓的”亚稳定性”2。

相关研究大量科学研究表明，在物理学，化学和生物学的相关数学系统中，正是因为噪音的影响，不同稳定状态之间才出现了迁移这就是所谓的”亚稳定性”在一个梯度系统，我们可以通过系统的能量来反映这种迁移但是，当系统的能量不是一个常数时，著名的大偏差理论通过给出作用量泛函进而找到一种研究不同稳定吸引子之间迁移路径的方法最小化作用量泛函就可以得到从一个稳定状态转移到另一稳定状态所需的平均时间以及最可能的迁移路径因此，这就给出了一个比较不同平衡点稳定性的标准即，如果从一个稳定平衡点到另一个稳定平衡点的作用量泛函的最小值大于从到的最小值，那么我们可以判定更稳定2。

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任毅如 - 副教授 - 湖南大学