耗散结构haosan jiegou

一定条件下，远离平衡的开放系统经过突变而自发产生的各种时空有序结构。这一概念，是由比利时布鲁塞尔自由大学I.普利高津(Prigogine)教授首先提出来的。他和他的同事们经过几十年的研究，终于发现一个开放系统在到达远离平衡态的非线性区时，随着控制参量的变化，系统有可能发生突变，由原来无序的混乱状态转变到一种新的有序状态，即耗散结构状态。从热力学的角度讲，一个开放系统的熵的变化由两部分组成，一部分是由于同外界有能量和物质交换而引起的熵流des，另一部分是由系统内部的热传导、扩散、化学反应等不可逆过程引起的熵产生dis。系统总的熵变化为ds=des+dis，其中dis总是大于0的，但可以想见，若d_es<0，则可使整个系统的熵减少，也就是可以使系统出现有序的结构。因为熵反映了系统的混乱程度，熵越高，系统越无序，而低熵态则对应着系统的有序态。以上仅仅是系统出现有序结构的可能性，普利高津证明，仅仅偏离平衡态一点点的近平衡区域，由于系统内部的相互作用是线性的，系统不可能发生突变而过渡到新的定态，只有当负熵流足够的强，使系统位于远离平衡的非线性区时，系统才有可能突变到耗散结构状态。至此我们可以总结出形成耗散结构所必需的几个条件：
❶系统必须是一个开放系统。由前面的讨论可以看出，系统只有存在着负熵流des，也就是同外界有物质、能量交换时才有可能出现一个有序的结构。实际上，耗散结构也只有通过与外界交换物质和能量才能维持，它是一种“活”的结构，新陈代谢，吐故纳新是它生存的条件。
❷系统应当远离平衡态。此时，它才有发生突变的可能，根据最小熵产生原理，在近平衡区不会出现耗散结构。
❸系统内部各个要素之间存在非线性的相互作用。非线性机制是系统内部各个子系统之间产生相干效应和协同动作的原因。
❹系统从无序向有序演化是通过涨落来实现的。涨落是系统从无序向有序突变的触发器，假如没有系统内部以及系统环境各种随机因素的扰动，耗散结构是不可能形成的。
耗散结构的形成过程可以形象地用图1所示分支图来描述。在外界各种环境因素的控制推动下，系统逐渐远离平衡态，在近平衡区域，系统的非平衡定态又称为热力学分支是稳定的。但当控制参量到达一定的阈值后，热力学分支失稳，在涨落的触发下，系统发生突变，由原来的热力学分支转变到耗散结构分支，而呈现出一个新的具有一定功能和组织的结构。随着控制参量的进一步变化，超过新的阈值后，还会发生二级分支和高级分支现象，此时，系统可以呈现复杂的时空行为，见图2。正是这种连续不断的分支行为，才使我们的地球从混沌初开时的无序状态，演化到现在这样一个具有各个层次、多种多样复杂结构的世界。

图1

图2

耗散结构理论是关于复杂系统自组织行为的基本理论，它揭示了各种复杂系统由无序向有序演化的共同规律和特点，正因为如此，它在化学、生物学、生态学和社会经济领域都得到了广泛的应用，在城市演化、人口发展等问题的研究中取得了不少成果。目前耗散结构理论仍在发展之中，在社会科学各领域中的应用也正逐渐深入和完善。

耗散结构

在一个开放系统中因物质与能量不断地流动，而驱使这个系统的平衡态发生了变化。如果这样的系统满足了某些条件之后，同样会出现稳定。但此时与平衡态不同，可以有一定的空间结构和时间上有规律的运动秩序。这种状态的维持需要有能量、物质的不断供应，也就是说要消耗能量与物质。如植物与外界进行气体交换时，气孔就是控制蒸腾的结构。

耗散结构dissipative structure

生物体在热力学上属于开放系统，与外界环境既有物质交换，又有能量交换，是个远离平衡态的系统。要使生物系统保持稳定，就必须有物质和能量的不断补充和供给，也就是消耗着物质和能量，生物体的这种热学结构称耗散结构。

耗散结构

物质系统在自组织条件下产生和维持的有序结构。是普利高津耗散结构理论中的一个重要概念。在开放和远离平衡的条件下，通过系统内部的能量耗散过程和非线性动力学机制，无序的非平衡稳定态可能失去稳定性，某些临界涨落可能被放大，并使诸子系统采取合作行动，从而导致系统达到和维持一种新的有序状态或结构。如贝纳花纹的形成、化学振荡的形成。生物机体是典型的耗散结构，不断与外界发生物质能量的代谢，体内有高品质的有机物质和能量向低品质的物质和能量的转化，存在大量的自催化的酶促反应等非线性反馈机制，这些过程和作用对生物机体的维持起一种积极作用。在物理、化学、生物、社会系统中是普遍存在的。

耗散结构

一切在远离平衡态条件下的系统通过不断地同外界环境进行物质和能量交换而形成与维持的有序结构。具有耗散结构的系统为耗散系统。耗散结构理论的创始人是比利时物理学家、布鲁塞尔学派首领普利高津。他在1969年召开的“理论物理与生物学”的国际会议上正式提出了这一理论。代表作是《结构、耗散和生命》。他提出这一理论的目的在于：“能够使生物学和物理学之间的鸿沟缩小”(《结构、耗散与生命》一书导言)。这一理论大致包括三个方面的内容：“一是非平衡态热力学基础；二是不可逆过程的动力学分析；三是随机涨落与耗散结构形成问题。”(陈晶编著：《一种统一的进化学说——耗散结构理论概述》1969年，湖北人民出版社)
耗散结构理论是直接从热力学的深入研究中建立起来的。从平衡态热力学到线性非平衡态热力学，进而到非线性非平衡热力学，为耗散结构论提供了理论基础。热力学把系统分为三种类型：孤立系统，即同外界环境不进行任何物质和能量交换的系统；封闭系统，即同外界环境有能量交换但没有物质交换的系统；开放系统，即同外界环境既有能量又有物质交换的系统。一个系统在不同时刻的内外条件下，有不同状态。可分为：定态，即系统不随时间变化的恒定状态。非定态，即不断随时间发生变化的状态；定态有平衡定态（即平衡态）和非平衡定态；非平衡定态又分为：近平衡定态，即线性非平衡定态，是非平衡系统的线性区域，距平衡态不远的近平衡区域的定态。远平衡定态，即非线性平衡定态，是非平衡系统的非线性区域，即远离平衡态的区域定态。系统的状态不相同，稳定性是不一样的。热力学第二定律指出，一个宏观系统的自发变化是不可逆的，是有向时间的变化过程。在不可逆过程中，熵不断增加，熵达到最大值，系统不可逆变化过程便中止，系统此时的状态为平衡态，成为孤立系统。平衡态是极为稳定的，任何来自内部和外部的扰动不会使它发生宏观的改变，因此，平衡态不可能成为建立有序结构的起点。在近平衡区也具有抗扰动的稳定性特征，也不可能形成有序结构的起点。那么，系统怎样从无序走向有序呢？普利高津认为，系统状态的不稳定性是产生有序结构，产生自组织的前提。他在进一步的非平衡非线性热力学的研究中得出了结论：只有在远离平衡态的非线性区，系统才有可能是不稳定的，就可能从中产生新的有序结构，即耗散结构。这样，耗散结构建立的基本条件就是：系统是开放的，是远离平衡态的，具有非线性反馈，非线性反常涨落等。
耗散结构论的产生，解决了半个多世纪内的自然界越来越走向无序，还是越来越走向有序的论争。耗散结构论证明，生命的有序的自组织系统只因为是远离平衡态的开放系统，生物进化是在不可逆过程中实现的耗散结构。耗散结构论有广泛的应用价值。我国学者根据耗散结构论提出了“非平衡系统经济学”的框架。中共十三大报告中指出，重大情况要让人民知道，重大问题要经人民讨论。必须使社会协商对话形成制度，及时地、畅通地、准确地做到下情上达，上情下达，彼此沟通，互相理解。贯彻这一精神，必使新闻媒介与党和政府，与人民群众之间建立开放的信息关系，形成有机的耗散系统。