耗散结构理论
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耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系 统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。 这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。可见，要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。
我们首先从几个例子看一下究竟什么是耗散结构。天空中的云通常是不规则分布的，但有时蓝天和白云会形成蓝白相间的条纹，叫做天街，这是一种云的空间结构。 容器装有液体，上下底分别同不同温度的热源接触，下底温度较上底高，当两板间温差超过一定阈值时，液体内部就会形成因对流而产生的六角形花纹，这就是著名 的贝纳德效应，它是流体的一种空间结构。在贝洛索夫—一萨波金斯基反应中，当用适当的催化剂和指示剂作丙二酸的溴酸氧化反应时，反应介质的颜色会在红色和 蓝色之间作周期性变换，这类现象一般称为化学振荡或化学钟，是一种时间结构。在某些条件下这类反应的反应介质还可以出现许多漂亮的花纹·，此即萨波金斯基 花纹，它展示的是一种空间结构。在另外一些条件下，萨波金斯基花纹会成同心圆或螺旋状向外扩散，象波一样在介质中传播，这就是所谓化学波，这是一种时间一 一空间结构。诸如此类的例子很多，它们都属于耗散结构的范畴。为了从各不相同的耗散结构实例中找出其本质的特征和规律，普里戈津学派研究了非平衡热力学, 继承和发展了前人关于物理学中相变的理论，运用了当代非线性微分方程以及随机过程的数学知识，揭示出耗散结构有如下几方面的基本特点。
首先，产生耗散结构的系统都包含有大 量的系统基元甚至多层次的组分。贝纳德效应中的液体包含大量分子。天空中的云包含有由水分子组成的水蒸气、液滴，水晶和空气，因而是含有多组分多层次的系 统。至于贝洛索夫——萨波金斯基反应，其中不仅含有大量分子原子和离子，并且有许多化学成分。不仅如此，在产生耗散结构的系统中，基元间以及不同的组分和 层次间还通常存在着错综复杂的相互作用，其中尤为重要的是正反馈机制和非线性作用。正反馈可以看作自我复制自我放大的机制，是“序”产生的重要因素，而非 线性可以使系统在热力学分支失稳的基础上重新稳定到耗散结构分支上。
第二，产生耗散结构的系统必须是开放系统，必定同外界进行着物质与能量的交换。天街中的云一定会和周围的大气和云进行物质交并和外界进行能量交换。如欲维 持贝洛索夫一萨波金斯基反应中的时间、空间，时间——空间结构，则需不断地向进行反应的容器中注入所需的化学物质，这正是系统与外界的物质交换。耗散结构 之所以依赖于系统开放是因为根据热力学第二定律，一个孤立系统的熵要随时间增大直至极大值，此时对应最无序的平衡态，也就是说孤立系统绝对不会出现耗散结 构。而开放系统可以使系统从外界引入足够强的负熵流来抵消系统本身的熵产生而使系统总熵减少或不变，从而使系统进入或维持相对有序的状态。
第三，产生耗散结构的系统必须处于远离平衡的状态。为了简单说朋问题，先举一个有关平衡状态的例子。假定暖水瓶是完全隔热的，里边放入温水，盖上瓶塞，其 中的水不再受外界任何影响，最后水就进入一种各处温度均匀，没有宏观流动和翻滚且不再随时间改变的状态，叫平衡态，相应的结构称为平衡结构。根据热力学理 论，在这种状态下是不可能出现任何耗散结构的。如果把瓶塞打开，用细棒搅拌瓶中的水，这时系统内发生翻滚流动，脱离平衡态。但若重新盖上瓶塞，经过足够长 时间，系统又将不可避免的驰豫到新的平衡态，仍不会有耗散结构。这表明系统虽走出了平衡态，但离开平衡态不够“远”。要想使系统产生耗散结构，就必须通过 外界的物质流和能量流驱动系统使它远离平衡至一定程度，至少使其越过非平衡的线性区，即进入非线性区。最明显的例子是贝纳德效应，若上下温差很小，不会出 现六角形花纹，表明系统离开平衡态不够远。待温差达到一定程度，即离开平衡态足够远，才发生贝纳德对流。这里强调指出，耗散结构与平衡结构有本质的区别。 平衡结构是一种“死”的结构，它的存在和维持不依赖于外界、而耗散结构是个“活”的结构，它只有在非平衡条件下依赖于外界才能形成和维持。由于它内部不断 产生熵，就要不断地从外界引入负熵流，不断进行“新陈代谢”过程，一旦这种“代谢”条件被破坏，这个结构就会“窒息而死”。所有自然界的生命现象都必须用 第二种结构来解释。
第四，耗散结构总是通过某种突变过程出现的，某种临界值的存在是伴随耗散结构现象的一大特征，如贝纳德对流，激光，化学振荡均是系统控制参量越过一定阈值时突然出现
的。
最后，耗散结构的出现是由于远离平衡的系统内部涨落被放大而诱发的。什么是涨落呢?举个例子，密闭容器内的气体，如果不受周围环境的影响或干扰，就会像前 面所说的那样达到平衡态，不难想象，这时容器内各处气体的密度是均匀的。然而由于大量气体分子作无规则热运动而且相互碰撞，可能某瞬时容器内某处的密度略 微偏大，另一瞬时又略微偏小，即密度在其平均值上下波动。这种现象就叫涨落。如果仅限于讨论处于平衡态气体内部的涨落，意义并不十分大。虽然无规则运动和 碰撞的存在将不时产生相对于平衡的偏差。但由于同样的原因这种偏差又不断地平息下去，从而平衡得以维持。在远离平衡，意义就完全不同了，微小的涨落就能不 断被放大使系统离开热力学分支而进入新的更有序的耗散结构分支。涨落之所以能发挥这么大的作用是因为热力学分支的失稳已为这一切准备好了必要的条件，涨落 对系统演变所起的是一种触发作用。
综述以上各点概括起来说，所谓耗散结构就是包
含多基元多组分多层次的开放系统处于远离平衡态时在涨落的触发下从无序突变为有序而形成的一种时间，空间或时间——空间结构。耗散结构理论的提出对当代哲
学思想产生了深远的影响，该理论引起了哲学家们的广泛注意。在耗散结构理论创立前，世界被一分为二：其一是物理世界，这个世界是简单的、被动的、僵死的，
不变的可逆的和决定论的量的世界；另一个世界是生物界和人类社会，这个世界是复杂的、主动的、活跃的、进化的，不可逆和非决定论的质的世界。物理世界和生
命世界之间存在着巨大的差异和不可逾越的鸿沟，它们是完全分离的，从而伴随而来的是两种科学，两种文化的对立。而耗散结构理论则在把两者重新统一起来的过
程中起着重要的作用。耗散结构理论极大地丰富了哲学思想，在可逆与不可逆，对称与非对称，平衡与非平衡，有序与无序、稳定与不稳定，简单与复杂，局部与整
体，决定论和非决定论等诸多哲学范畴都有其独特的贡献。耗散结构理论可以应用于研究许多实际现象。上面所谈的“天街、贝纳德效应以及贝洛索夫——萨波金斯
基反应分别属于物理和化学范畴，值得提到的是在生命现象中也包含有多层次多组分，例如从种群、个体、器官、组织、细胞以及于生物分子，各层次间以及同一层
次的各种组分间存在着更为复杂的相互作用。生命系统需要新陈代谢，因而必定是开放系统。再者生命系统必然是远离平衡的。因此生命系统成为耗散结构理论应用
的对象是十分自然的。这方面目前取得较多进展的有动物体内释放能量的生化反应糖酵解的时间振荡，还有关于肿瘤免疫监视的问题以及一些生态学中的问题。
从广义讲，人类社会也是远离平衡的开放系统。因此，像都市的形成发展，城镇交通，航海捕鱼，教育经济问题等社会经济问题也可作为耗散结构理论应用的领域。
耗散结构理论自提出以来，一直在理论和实际应用两个方面同时拓展，今后的发展也可望顺着这个路子往下走。因为并非一切远离平衡的复杂性开放系统的行为都可
以归纳为耗散结构，所以，作为更高层次的一般研究复杂系统的系统科学的一个分支理论，面对纷繁复杂的实际世界，其未来充满挑战，也面对机会，可谓任重道
远。
小结
耗散结构理论，是系统理论发展的第二个阶段。这个阶段的理论主要是对系统作动态描述。即研究系统是如何维持存在的。系统内部各子系统之间是如何相互作用的，这些研究为人类认识系统功能，并最终介入系统运动，控制系统为人类利益服务打下基础。
《一个比喻：钱对人的作用》
为了更清楚地说明熵和有序行为之间的关系也许我们可以用一位打算省钱的先生可取的选择作比喻。如果他是一文不名，那么他在消费上的改变，相当于平衡态时， 熵的变化：是零。也就是说，对于一个完全没钱的人，也不存在对钱的支配的问题。这样根本不存在与钱有关的任何问题。这就叫做“平衡”。实际上是一种无生命 的状态。然而真实的世界不是处于平衡态。所以我们这位希望省钱的先生，其实有少量的钱。在这种情况下，他能做的是，除必须花费一些饮食上以外，他要把他的 开销降低到能使他活下来的最低水平。这时这位先生离开平衡态有了一段距离。因为他有了一点线，因此，也就有了一些较低水平的少量的活动。这里，这位先生， 有生命活动，但不多，因为钱少。距离平衡点的距离太近。现在让我们来看远离平衡时会发生什么情况。即，如果这位先生有许多钱，那么他除了可以尽量吃好外， 要买一所房子，房子要装修，要娶老婆，维持一个家。要把一部分钱存在银行里，更重要的是，要合乎一部分钱办一个实业，以便资本升值，不至于坐吃山空。等到 实业办好了，又想到通过实业使资本升值周期太慢，最快的方法是投资金融业，以钱变钱。如此这般，这里这位先生不仅每天要跑工厂，跑银行，跑交易所，还要乘 飞机到处跑。以便节省时间。手里合乎着手机，不停地与名方面通话，这叫做信息，甚至夜里也不能安眠——这就是说，当他有很多钱，远离了平衡态时，他就表现 出充分的生命力，可以干许多事情。反过来，也可以说，正是这些钱使这位先生远离了平衡态。
自组织与耗散
自组织现象是指自然界中自发形成的宏观有序现象。在自然界中这种现象是大量存在的，理论研究较多的典型实例如：贝纳德(Bénard)流体的对流花纹，贝
洛索夫－扎鲍廷斯基(Belousov-Zhabotinsky)化学振荡花纹与化学波，激光器中的自激振荡等。自组织理论除耗散结构理论外，还包括协同
学、超循环理论等，它们力图沟通物理学与生物学甚至社会科学，对时间本质问题等的研究有突破性进展，在相当程度上说明了生物及社会领域的有序现象。耗散结
构是自组织现象中的重要部分，它是在开放的远离平衡条件下，在与外界交换物质和能量的过程中，通过能量耗散和内部非线性动力学机制的作用，经过突变而形成
并持久稳定的宏观有序结构。
附一些常见概念：
1系统的分类：
a孤立系统：与环境既没有物质交换也没有能量交换
b封闭系统：与环境有能量交换，但没有物质交换
c开放系统：与环境既有能量交换，也有物质交换
因为自然界中，真正的孤立系统实际上是不存在的，所以在实际工作中，人们常将孤立系统与封闭系统两个概念混用。
2热力学第二定律：任何孤立系统都会因为热量的散失，而与环境达到热平衡而失去做功能的能力。物理学将散失的热量称为“熵”，这样，热力学第二定律又可表述为：一个孤立系统最终都将达到一个最大熵的热平衡状态。（宇宙热死）
3研究发现对于复杂系统物质来讲，虽然也存在热的散失，但系统并未走向与环境达到热平衡的状态，相反，复杂系统可以处在远离热平衡的状态不变。
4研究发现：之所以出现上述现象，是因为复杂系统是一个“开放系统”。它除了向环境排出物质及耗散能量之外，还能不断地从外环境得到物质和能量的补充。
5负熵：物理学将从环境得到的物质和能量称为“负熵”。因此，物理学给生命下的定义是：生命以负熵为生。
6这样得出耗散结构理论的第一条内容：
开放系统：系统要想保持自身的结构和功能状态，必须是一个开放系统，必须不断从环境获取物质和能量的补充。
7以第一条内容为基础，得出第二条内容：
远离平衡态：复杂系统的结构和功能只有在远离平衡态时才能维持。当系统接近平衡态时，功能状态逐渐降低，达到平衡态时系统彻底死亡。
8耗散结构理论的第三条内容：
耗散结构中有正反馈存在。耗散结构的系统，要想维持自身结构和功能的存在，必须允许系统内子系统之间有正反馈相互作用存在。正是这些正反馈的存在，才引起系统内各种非线性的相互作用，并通过涨落形成稳定的结构。
9耗散结构为系统发生质变、飞跃，即一系统向 另一系统转化，新系统、新结构的产生打下基础：子系统不断接收外来的物质和能量后，不断加强的正反馈运动，最终会突破系统调节中枢的负反馈控制，这时，这 些子系统会在新的条件下达到新的平衡，这时原系统也就转化成新的系统，新结构也就诞生了。
