非平衡态结构如何形成？

不均匀加热的流体和气体是另一种自发形成结构的例子。这种结构比吸引和排斥的简单平衡形成的结构要难理解一些，但也更为引人入胜。

烧水就能观察到非平衡结构。如果从底部加热一盆水，就会发生惊人的变化。如果加热不剧烈，不会发生什么值得注意的事情。在亚微观层面上，与盆底碰撞的水分子会加速反弹，通过与活跃振动的盆底原子碰撞获得动能。能量通过碰撞在水中传递。如果加热不剧烈，表面的水会比底部的水温度低，但不会低很多。如果提高供热，更多热量会被传递给盆底，剧烈的碰撞会增多。同时表面和底部的水温差别会增大。

热水比冷水的密度低，因此当加热到一定程度时，就会出现高密度的冷水在上面，低密度的热水在下面的不稳定情形。当容量相同，高密度冷水会比低密度热水受到更大的地球引力，如果受力差别大到一定程度，上面的冷水就会通过对流和热水交换位置。水分子在液体中不停的碰撞，因此活动并不那么自由，而是协同运动。在一些区域，水会一致往下流，另一些区域则会一致往上走。在特定条件下，从底部往表面传送热量的最佳方式是一种被称为对流环的协同运动。如果液体很薄，就可以观察到特别有趣的情况。这时表面张力压制了浮力，如果盆很平，热量传递很均匀，就会自发形成非常规则的六边形对流环，这被称为贝纳德流（图3.1）。在这种结构中，水从每个环胞的中心上升，在环胞边缘下降。如果条件没有严格满足，环胞就没那么规则。如果将液体限制在两块平板中间，顶部不开放，就会形成翻滚（称为瑞利—贝纳德卷）而不是六边形环胞。

图3.1 贝纳德流的图和照片。图中给出了几个六边形对流环胞的截面图。箭头为运动方向。照片是从顶部观察薄层硅油，为了便于观察添加了铝粉。照片经科施米德尔许可引用

这些规则运动很稳定，只要对盆底的供热量合适（不太多也不太少）就会一直保持。供热太快，就会变混乱。供热太慢，协同运动就会停止。

对流环胞是非平衡态结构的经典例子，大量分子自发协同运动，无需指令告诉它们怎么做。这个特性使得一些科学家提出远离平衡态的自组织有可能为生命系统的许多复杂性提供解释。这个问题还悬而未决。贝纳德流还不是特别复杂。同晶体类似，它们也是源自简单规则的交互作用。对于上表面敞开的薄液层（贝纳德流所需的条件），起作用的是黏性、表面张力（分子之间的吸引力）和热运动（扩散）。对于较深的液体，浮力（基于密度和重力）压制了表面张力驱动对流。

有一个基于对流的更复杂的结构是雷暴。暴风雨在许多方面类似于贝纳德流，不过是发生在大气中而不是液体中，浮力是驱动力，只是环境不像火上的平底盆那样规整。大气对流还有其他特点，空气上升会变冷，密度降低，当温度降到凝点以下水蒸气会凝结成水。同时水凝结时会释放热量。上升的湿空气凝结产生的热量会让空气升得更高，从而进一步冷却。

热带风暴开始于晴热的早上，低空大气中有许多水蒸气。太阳光加热地面或海面，反过来加热低空大气。低空大气逐渐变得越来越热。最终大气变得不稳定，底层的热空气上升，上层的冷空气下沉，很类似贝纳德流，但水蒸气的存在让事情变得不同。根据理想气体定律，上升的空气扩张冷却。当冷却到一定程度，水蒸气凝结成水滴，释放热量。释放的热量加热空气，导致其进一步上升，并继续扩张冷却；这反过来又导致进一步冷凝和释放更多热量。空气上升后，附近的低层温暖湿空气流入补充，产生更多水滴。小水滴碰撞聚集成大水滴。

最终，上升的空气无法支撑不断增大的水滴，水滴开始下降。水滴在下降过程中会裹挟空气分子产生向下的气流和雨滴。水滴会聚集自由电子，带有水滴的风在云的不同区域产生大的电离，放大了云层和地面的电位差。当电离大到一定程度，就会通过集中的电流中和，也就是我们看到的闪电。这种电流会让空气局部剧烈升温，引发声光现象。含有水的空气的上升下降也会产生水平方向甚至旋转的风。风暴通过不断补充湿热空气和降雨（冷到一定程度就降雪）排出冷水维持。一旦没有了上升的湿空气，风暴就结束了。这一般是因为太阳下山了，也有可能是因为流入的是干空气，或者风暴遇到了高空暖气流。

类似于晶体，贝纳德流和雷暴也是少量简单规则作用于不是特别罕见的初始条件形成的。