“耗散结构”的简介与分析.doc

耗散结构比利时的普里戈金从研究偏离平衡态热力学系统的输送过程入手，深入讨论离开平衡态不远的非平衡状态的热力学系统的物质、能量输送过程，即流动的过程，以及驱动此过程的热力学力，并对这些流和力的线性关系做出了定量描述，指出非平衡系统（线性区）演化的基本特征是趋向平衡状态，即熵增最小的定态。这就是关于线性非平衡系统的“最小熵产生定理”，它否定了线性区存在突变的可能性。普里戈金在非平衡热力学系统的线性区的研究的基础上，又开始探索非平衡热力学系统在非线性区的演化特征。在研究偏离平衡态热力学系统时发现，当系统离开平衡态的参数达到一定阈值时，系统将会出现“行为临界点”，在越过这种临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态；若将系统推向离平衡态更远的地方，系统可能演化出更多新的稳定有序结构。普里戈金将这类稳定的有序结构称作“耗散结构”。从而提出了关于远离平衡状态的非平衡热力学系统的耗散结构理论。耗散结构理论指出，系统从无序状态过渡到这种耗散结构有几个必要条件，一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；二是系统必须是远离平衡状态的，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；三是系统内部不同元素之间存在着非线性相互作用，并且需要不断输入能量来维持。在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大而达到有序。偏离平衡态的开放系统通过涨落，在越过临界点后“自组织”成耗散结构，耗散结构由突变而涌现，其状态是稳定的。耗散结构理论指出，开放系统在远离平衡状态的情况下可以涌现出新的结构。地球上的生命体都是远离平衡状态的不平衡的开放系统，它们通过与外界不断地进行物质和能量交换，经自组织而形成一系列的有序结构。可以认为这就是解释生命过程的热力学现象和生物的进化的热力学理论基础之一。在生物学，微生物细胞是典型的耗散结构。在物理学，典型的例子是贝纳特流。广义的耗散结构可以泛指一系列远离平衡状态的开放系统，它们可以是力学的、物理的、化学的、生物学的系统，也可以是社会的经济系统。耗散结构理论的提出，对于自然科学以至社会科学，已经产生或将要产生积极的重大影响。耗散结构理论促使科学家特别是自然科学家开始探索各种复杂系统的基本规律，开始了研究复杂性系统的攀登。远离平衡态的开放系统，通过与外界交换物质和能量，可能在一定的条件下形成一种新的稳定的有序结构。典型的例子是贝纳特流。在一扁平容器内充有一薄层液体，液层的宽度远大于其厚度，从液层底部均匀加热，液层顶部温度亦均匀，底部与顶部存在温度差。当温度差较小时，热量以传导方式通过液层，液层中不会产生任何结构。但当温度差达到某一特定值时，液层中自动出现许多六角形小格子，液体从每个格子的中心涌起、从边缘下沉，形成规则的对流。从上往下可以看到贝纳特流形成的蜂窝状贝纳特花纹图案。这种稳定的有序结构称为耗散结构。类似的有序结构还出现在流体力学、化学反应以及激光等非线性现象中。耗散结构的特征是：存在于开放系统中，靠与外界的能量和物质交换产生负熵流，使系统熵减少形成有序结构。耗散即强调这种交换。对于孤立系统，由热力学第二定律可知，其熵不减少，不可能从无序产生有序结构。保持远离平衡态。贝纳特流中液层上下达到一定温度差的条件就是确保远离平衡态。系统内部存在着非线性相互作用。在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大，达到有序。比利时的普里高津、德国的哈肯、日本的久保-铃木等学派对远离平衡态的耗散结构理论的建立与发展作出重要贡献。但理论尚属初级阶段，有待于发掘新的概念、规律和数学工具。耗散结构理论已用于研究流体、激光等系统、核反应过程，生态系统中的人口分布，环境保护问题，乃至交通运输、城市发展等课题。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。在远离平衡时，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。 那么，耗散结构是如何产生的呢？首先，产生耗散结构的系统都包含有大量各不相同的成分，并且各成分之间还通常存在着错综复杂的相互作用，这是“有序”产生的重要因素。例如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，它们之间的相互作用非常频繁。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。例如天街中的云一定会和周围的大气和云进行物质交并以及能量交换。第三，产生耗散结构的系统一开始必须是不平衡的，它的结构很混乱。像天空中的云，它的分布是散乱无序的，整个云彩系统的物理性质处于很不均匀的状态，只有在这种情况下，通过外界的物质流和能量流的驱动，云彩系统才有可能变成“细胞云”或“云街”等崭新的有序结构。第四，一个无序的系统转换成一个有序的系统存在一个临界状态。临界状态就是指一个事物系统从一种状态转变到另一种状态时的临界线，例如，你可以把稻草不断地堆在骆驼背上，什么事也不会发生