耗散结构理论

耗散结构 　　耗散结构 　　dissipative structures 　　比利时的普里戈金（I. Prigogine）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（1969年）。 　　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：①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。②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。③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。 耗散结构理论 　　耗散结构理论是指用热力学和统计物理学的方法，研究耗散结构形成的条件、机理和规律的理论。 　　耗散结构理论的创始人是伊里亚·普里戈金(Ilya Prigogine)教授，由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献，他荣获了1977年诺贝尔化学奖。普里戈金的早期工作在化学热力学领域，1945年得出了最小熵产生原理，此原理和翁萨格倒易关系一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。普里戈金以多年的努力，试图把最小熵产生原理延拓到远离平衡的非线性区去，但以失败告终，在研究了诸多远离平衡现象后，使他认识到系统在远离平衡态时，其热力学性质可能与平衡态、近平衡态有重大原则差别。以普里戈金为首的布鲁塞尔学派又经过多年的努力，终于建立起一种新的关于非平衡系统自组织的理论──耗散结构理论。这一理论于1969年由普里戈金在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。 　　耗散结构理论提出后，在自然科学和社会科学的很多领域如物理学、天文学、生物学、经济学、哲学等都产生了巨大影响。著名未来学家阿尔文·托夫勒在评价普里戈金的思想时，认为它可能代表了一次科学革命。 　　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。 　　(1)远离平衡态 　　远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀(从而系统内部没有宏观不可逆过程)的状态，它遵守热力学第一定律：dE=dQ-pdV，即系统内能的增量等于系统所吸收的热量减去系统对外所做的功；热力学第二定律：dS/dt>=0，即系统的自发运动总是向着熵增加的方向；和波尔兹曼有序性原理：pi=e-Ei/kT，即温度为T的系统中内能为Ei的子系统的比率为pi. 　　近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区，它遵守昂萨格(Onsager)倒易关系和最小熵产生原理。前者可表述为：Lij=Lji，即只要和不可逆过程i相应的流Ji受到不可逆过程j的力Xj的影响，那么，流Ji也会通过相等的系数Lij受到力Xi的影响。后者意味着，当给定的边界条件阻止系统达到热力学平衡态(即零熵产生)时，系统就落入最小耗散(即最小熵产生)的态。 　　远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态，这时其热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比，可能颇为不同，甚至实际上完全相反，正如耗散结构理论所指出的，系统走向一个高熵产生的、宏观上有序的状态。 　　(2)非线性 　　系统产生耗散结构的内部动力学机制，正是子系统间的非线性相互作用，在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。 　　(3)开放系统 　　热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统绝不会出现耗散结构。那么开放系统为什么会出现本质上不同于孤立系统的行为呢？其实，在开放的条件下，系统的熵增量dS是由系统与外界的熵交换deS和系统内的熵产生diS两部分组成的，即：dS=deS+diS 　　热力学第二定律只要求系统内的熵产生非负，即diS>=0，然而外界给系统注入的熵deS可为正、零或负，这要根据系统与其外界的相互作用而定，在deS<0的情况下，只要这个负熵流足够强，它就除了抵消掉系统内部的熵产生diS外，还能使系统的总熵增量dS为负，总熵S减小，从而使系统进入相对有序的状态。所以对于开放系统来说，系统可以通过自发的对称破缺从无序进入有序的耗散结构状态。 　　(4)涨落 　　一个由大量子系统组成的系统，其可测的宏观量是众多子系统的统计平均效应的反映。但系统在每一时刻的实际测度并不都精确地处于这些平均值上，而是或多或少有些偏差，这些偏差就叫涨落，涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。 　　在正常情况下，由于热力学系统相对于其子系统来说非常大，这时涨落相对于平均值是很小的，即使偶尔有大的涨落也会立即耗散掉，系统总要回到平均值附近，这些涨落不会对宏观的实际测量产生影响，因而可以被忽略掉。然而，在临界点(即所谓阈值)附近，情况就大不相同了，这时涨落可能不自生自灭，而是被不稳定的系统放大，最后促使系统达到新的宏观态。 　　当在临界点处系统内部的长程关联作用产生相干运动时，反映系统动力学机制的非线性方程具有多重解的可能性，自然地提出了在不同结果之间进行选择的问题，在这里瞬间的涨落和扰动造成的偶然性将支配这种选择方式，所以普里戈金提出涨落导致有序的论断，它明确地说明了在非平衡系统具有了形成有序结构的宏观条件后，涨落对实现某种序所起的决定作用。 　　(5)突变 　　阈值即临界值对系统性质的变化有着根本的意义。在控制参数越过临界值时，原来的热力学分支失去了稳定性，同时产生了新的稳定的耗散结构分支，在这一过程中系统从热力学混沌状态转变为有序的耗散结构状态，其间微小的涨落起到了关键的作用。这种在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫做突变。耗散结构的出现都是以这种临界点附近的突变方式实现的。 　　一座城市不断有人外出和进入，生产的产品和原料也要川流不息地运人及运出。这种与外界环境自由地进行物质、能量和信息交换的系统，称为开放系统。当开放系统内部某个参量的变化达到一定阈值时，它就可能从原来无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上和功能上的有序状态，即耗散结构。如一壶水放在火炉上，水温逐渐升高，但水开后水蒸气不断蒸发，壶中的水和空气就形成了一个开放系统，带走了火炉提供的热量，水温不再升高，达到了一种新的稳定状态。 　　耗散结构理论中的“开放”是所有系统向有序发展的必要条件。如一个企业只有开放才能获得发展，这种开放不仅是输出产品，输入原料，而且涉及人才、技术和管理等方面。不断引进入才和技术，不断更新设备，才能使企业充满生机和活力。 　　发现 　　耗散结构理论是由I·Prigogine（1917——）在1969年首次提出的一种新型的理论。并于1977年获得诺贝尔化学奖。 　　【耗散结构理论与医学】 　　1 人体能够形成和保持耗散结构 　　耗散结构,是普利高津在研究不违背热力学第二定律情况下,如何阐明生命系统自身的进化过程时提出的新概念。什么是耗散结构?用通俗的话来讲,就是一个远离平衡的包含有多组分多层次的开放系统,在外界条件变化达到一定阈值时,经“涨落”的触发,量变可能引起质变;系统通过不断与外界进行物质和能量交换,在耗散过程中产生负熵流,就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。这种非平衡态下形成的新的有序结构,就是耗散结构。 　　普利高津本人曾对耗散结构形成的条件,作过简单通俗的说明。他写道:“生物和社会组织包含着一种新型的结构,……社会和生物的结构的一个共同特征是它们产生于开放系统,而且这种组织只有与周围环境的介质进行物质和能量的交换才能维持生命力。然而,只是一个开放系统并没有充分的条件保证实现这种结构。只有在系统保持“远离平衡”和在系统内的不同元素之间存在着“非线性”的机制的条件下,耗散结构才能实现”[1]。显然,人既有生物的属性,又有社会的属性,人的生命过程既参与生物运动,也参与社会运动,更具备形成耗散结构的条件。 　　首先,生命的本质在于运动。人体是一个远离平衡的系统,它需要保持动态平衡才能存在。平衡就意味着生命的终止。兴奋和抑制、收缩和舒张平衡了,心跳也就停止了。动脉、静脉各部分血压平衡了,毛细血管有效过滤压等于零,物质交换也就没有了。细胞内液与外液中的Na+、K+的浓度是非平衡的,神经细胞膜内K+浓度为膜外30倍,膜外Na+浓度为膜内12倍,这种离子浓度非平衡,对细胞的兴奋及机能是必要的。如果离子浓度平衡,生物电就消失,细胞功能也就丧失。其次,人体又是一个包含有多子系统多层次的复杂开放系统。从横向看,包括骨胳、肌肉、神经、消化、呼吸、泌尿生殖系统等子系统。从纵向看,包括群体、个体、器官、组织、细胞、亚细胞、分子、量子等层次。此外,还有与上述要求有关又自成一体的免疫系统,等等。而且各子系统之间、各层次之间存在着复杂的联系和相互作用。人既要吃、喝、吸气,又要拉、撤、呼气,因而是一个开放系统。机体走向封闭,就会生病甚至死亡。中医所说“不通则痛”就是这个道理。再次,人体内各元素之间存在非线性机制。所谓非线性,是指引起系统处于非平衡状态的复杂过程的,主要不是逐步演变的扩散型,而是产生突变(或质变)的化学反应型。人体生理病理转化过程中,存在大量通过爆发性涨落而摆脱连续性的情况。即使是最简单的细胞中,正常的新陈代谢也要引起无数个偶合的化学反应;新陈代谢还要有特定的酶。因此,正常人体是离不开非线性机制的。最后,人体生命现象中,还大量存在时间节律和周期行为。所以,人体能够形成和保持耗散结构。 　　生命不仅仅表现为终究要死亡,要从有序走向无序,而且在于它要努力避免很快地衰退为惰性的平衡。因此,从某种意义上说,人体时刻都处在有序无序有序的转化过程中。在正常生理过程,机体内部借助新陈代谢的作用,把细胞或机体中陈旧、多余的或有害的物质分解,把衰老、垂死的或受伤的组织成分拆除,释放其中的能量,使机体内部有序结构不断遭到破坏,这可以说是人体自身产生的正熵,由于正熵存在,机体由有序趋向无序。但与此同时,机体又通过合成代谢,从外界吸收物质和能量,引进负熵,建造自身结构所需要的组织成分,以替代被拆除的组织成分,产生新的更高层次的有序状态,使无序趋向有序,从而使机体保持正常的生命活动。机体这种相对稳定有序是通过自身调控机制实现的。一旦致病因素造成调控机制混乱,机体与外界进行物质、能量、信息交换发生障碍,系统内正熵增加,有序性遭到破坏,积累到一定的阈值,经涨落触发,就会从有序变为无序,这就是病态。疾病的医治实际上是通过强化输入负熵流防止输入正熵,并促进机体远离平衡以达到系统熵增为负或正熵不大的低熵有序状态,从而消除疾病,转为健康。 　　2 耗散结构理论对医学的启示 　　耗散结构理论试图认识自组织的机制和规律,即有序和无序相互转化的机制和条件问题。“医学是认识、保持和增强人类健康,预防和治疗疾病,促使机体康复的科学知识体系和实践活动”[2]。其首要任务是认识健康和疾病转化的机制和条件问题。因而,二者是一致的。前者对后者必定具有启迪和借鉴作用。 　　2.1 耗散结构理论可以深刻揭示人体的统一性及其与外界因素的统一性,为医学模式转变提供理论依据。因为,这一理论用整体观研究生命现象,并且认为只有开放的、能与外界进行物质、能量、信息交换的系统,才能形成稳定的有序结构。人体正是这样的系统。但是,传统生物医学模式忽视了人的社会性和心理因素的影响,对生理病理过程的考察往往带有封闭或半封闭性质,而且使用的是脱离整体联系发展的孤立、静止研究方法。这就使得它不可能正确反映和解决作为开放系统的人体稳定、有序、健康问题,因而不可避免地要被新的医学模式所代替。所以,医务工作者掌握耗散结构观点,首先有助于实现从生物医学向生物、心理、社会医学模式转变。其次,有助于临床工作中,系统整体思维和全方位立体思维的形成和运用。此外,人体有序、健康的形成和保持,实际上是多组分多层次的人体系统为主体和物质基础,以与外界交换所得能量为动力,以来自内部信息为指令,以神经体液为调控手段,以时空或功能有序为目标的自组织过程。因此,耗散结构理论的提出,使系统科学方法变得更加完善,其应用于人体生理病理过程的解释,必将进一步推动现代医学的发展。 　　2.2 耗散结构理论提出“非平衡是有序之源”的观点,对纠正“平衡有序”观念和贯彻积极治疗,推动有关非平衡区生命稳定有序的研究,对搞好防病治病有着重要意义。 　　非平衡,不是不平衡,也不是平衡,而是巨涨落前的远离平衡态,是处于失稳临界点附近没有超过临界点的稳态。与此相对应,失稳包括两方面,一是因平衡变为不平衡而失稳,如细胞外液pH值过高过低将导致碱中毒或酸中毒。二是不平衡趋向平衡而失稳,如细胞外液钾浓度增高,而致高血症;各种组织中较特异酶谱由区别而趋向一致性,意味着癌症出现。所以,现代医学强调的是动态平衡。然面,我们许多医务工作者在实践中,努力纠正不平衡的同时,往往不自觉地走向另一极端追求平衡。而且忽视了心理,社会动态平衡对健康的意义,这对实践是有害的。实践告诉我们,难治性心力衰竭一类顽症之所以难治,就在于只引入负熵流(即各种改善心衰的措施,包括药物等)并不一定能刺激机体达到临界点,要使机体完成“无序→有序”的跃进,必须使机体远离平衡即机体要有相当的自身活力和抵抗力,通过涨落达到临界点才能使新的跃进完成,使机体从无序状态恢复到有序状态。所以,我们必须注意,治疗中不能单纯依靠药物等一系列外来因素的作用,还必须大力提高患者的整体机能,包括非药物的心理治疗,排除影响机体机能恢复的各种干扰[3]。 　　同时,耗散结构理论的提出,推动医学工作者进一步从各方面探索处于非平衡区生命系统稳定、有序、健康的维持问题。诸如什么是稳态?有什么抗干扰的特性?失稳的临界点在哪里?在什么条件下,通过什么方式,人体有序变无序,稳态变失稳?在失稳、生病后在什么条件下,通过什么方式恢复稳态、健康?等等。这对提高医疗卫生工作质量无疑是有益的。例如,布鲁塞尔学派对肿瘤免疫的研究,就属于抗干扰特性研究的一部分。该派倾向于细胞免疫起主要作用。体外实验表明,效应细胞每次可以与一个或几个肿瘤细胞结合然后分解为原来形式的效应细胞和失去复制能力的死亡肿瘤细胞。布鲁塞尔学派为此建立起肿瘤生长的数学模型。在对这一模式的求解中,它给出何种条件肿瘤会长大或抑制,即在某些条件下,小于临界大小的肿瘤将消失,大于临界大小的肿瘤则长大。在另一些条件下,埋没肿瘤中的正常组织若大于一定临界大小时会不断长大,从而摆脱癌状态,反之若该正常组织过小则会为肿瘤组织所吞没。该模型给出的肿瘤细胞数的时间振荡行为与临床观察一致”[4]。这样的探讨,对临床上因势利导防治肿瘤就很有价值。又如,临界点问题,不但研究稳态的生物(或理化)临界点,而且研究心理、社会临界点,以及对临界值随年龄、性别,特别是作用因素的量与时间两者关系所决定的个体适应与不适应之间的差异,这些对医学理论和实践都有着十分重要的意义。此外,掌握“非平衡是有序之源”的观点,还有助于动态思维的形成。 　　2.3 “非线性”理论对医学实践有着重要的启迪和借鉴作用。系统的不同元素之间存在着非线性机制,是耗散结构形成的重要条件之一。多组分多层次的开放系统只有处于远离平衡的非线性区,才有可能经涨落的触发,从无序突变为稳定的有序的时空结构。非线性区有两个特征:一是突变、飞跃的临界点所在,二是存在可逆和不要逆的两种不同趋势。因此,掌握非线性区对医疗实践的意义是不容忽视的。例如,在每一个正常子宫颈粘膜上皮细胞中46个染色体,当细胞中染色体数量略有增加或减少,并出现畸形时,正常细胞就变成了间变细胞。间变阶段是正常细胞向癌变细胞转变的中间阶段,亦即非线性区,它存在着可逆和不可逆两种趋势。如经过积极治疗,染色体数量恢复正常,“间变”就消失,变成正常细胞;如遇到延缓治疗或治疗不当等种种不利条件,染色体数量就会剧增,若每个细胞中的染色体增至六十到九十个时,间变就发生癌变。所以认识到这一点,定期检查,早期发现间变细胞,就可以采取措施,阻止间变向癌变发展,预防宫预癌发生。医务工作者必须树立防重于治的思想,努力掌握各种疾病的非线性区,把好病理性质变这道最后防线。 　　耗散结构理论关于生命系统进化过程中的非线性涨落的作用,与医学实践中生理和病理相互转化中涨落的作用有所不同(前者是单向的、积极的;后者是双向的,利弊兼有的)。但可以启发医务工作者在实践中,因势利导,尽可能防止和减少涨落的破坏作用,充分利用其积极作用,更好地防病治病。耗散结构理论指出:“生命的保持和发育是跟大量的化学反应和运转现象分不开的。是由许多高度非线性的复杂因素,如激活、抑制、直接的自身催化等连锁制约的”[5]。这就告诉我们,尽管研究病因要从生物、理化、心理、社会等多方面着手;认识疾病的本质要从各个层次上进行探索,但作为生命有机体的线性机制,首先存在于微观层次中,并主要通过微观层次表现出来。因此,我们无论考察生理向病理转化,还是病理向生理复归的量变质变过程,都应把重点放在微观层次上,坚持微观深层导向性。这不是回到片面强调理化指标为依据,着重分析的还原论老路上去,而是要走向综合兼容辩证还原的新思维方式。 　　综上所述,耗散结构理论可以为医学提供启迪和借鉴作用。诚然,不应夸大它的作用。只有把它与系统科学方法的其他理论(系统论、信息论、控制论、协同论、超循环论、突变论等)结合起来,才能充分发挥其应有的作用。 自组织与耗散结构 --摘自：方舟冲浪     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(Bé nard)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。     耗散结构理论的创始人是伊里亚·普里戈金(Ilya Prigogine)教授，由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献，他荣获了1977年诺贝尔化学奖。普里戈金的早期工作在化学热力学领域，1945年得出了最小熵产生原理，此原理和翁萨格倒易关系一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。普里戈金以多年的努力，试图把最小熵产生原理延拓到远离平衡的非线性区去，但以失败告终，在研究了诸多远离平衡现象后，使他认识到系统在远离平衡态时，其热力学性质可能与平衡态、近平衡态有重大原则差别。以普里戈金为首的布鲁塞尔学派又经过多年的努力，终于建立起一种新的关于非平衡系统自组织的理论──耗散结构理论。这一理论于1969年由普里戈金在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。     耗散结构理论提出后，在自然科学和社会科学的很多领域如物理学、天文学、生物学、经济学、哲学等都产生了巨大影响。著名未来学家阿尔文·托夫勒在评价普里戈金的思想时，认为它可能代表了一次科学革命。     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)。[5]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。 (1)远离平衡态     远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀(从而系统内部没有宏观不可逆过程)的状态，它遵守热力学第一定律：dE=dQ-pdV，即系统内能的增量等于系统所吸收的热量减去系统对外所做的功；热力学第二定律：dS/dt>=0，即系统的自发运动总是向着熵增加的方向；和波尔兹曼有序性原理：pi=e-Ei/kT，即温度为T的系统中内能为Ei的子系统的比率为pi.     近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区，它遵守昂萨格(Onsager)倒易关系和最小熵产生原理。前者可表述为：Lij=Lji，即只要和不可逆过程i相应的流Ji受到不可逆过程j的力Xj的影响，那么，流Ji也会通过相等的系数Lij受到力Xi的影响。后者意味着，当给定的边界条件阻止系统达到热力学平衡态(即零熵产生)时，系统就落入最小耗散(即最小熵产生)的态。     远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态，这时其热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比，可能颇为不同，甚至实际上完全相反，正如耗散结构理论所指出的，系统走向一个高熵产生的、宏观上有序的状态。 (2)非线性     系统产生耗散结构的内部动力学机制，正是子系统间的非线性相互作用，在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。 (3)开放系统     热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统绝不会出现耗散结构。那么开放系统为什么会出现本质上不同于孤立系统的行为呢？其实，在开放的条件下，系统的熵增量dS是由系统与外界的熵交换deS和系统内的熵产生diS两部分组成的，即：dS=deS+diS    热力学第二定律只要求系统内的熵产生非负，即diS>=0，然而外界给系统注入的熵deS可为正、零或负，这要根据系统与其外界的相互作用而定，在deS<0的情况下，只要这个负熵流足够强，它就除了抵消掉系统内部的熵产生diS外，还能使系统的总熵增量dS为负，总熵S减小，从而使系统进入相对有序的状态。所以对于开放系统来说，系统可以通过自发的对称破缺从无序进入有序的耗散结构状态。 (4)涨落     一个由大量子系统组成的系统，其可测的宏观量是众多子系统的统计平均效应的反映。但系统在每一时刻的实际测度并不都精确地处于这些平均值上，而是或多或少有些偏差，这些偏差就叫涨落，涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。     在正常情况下，由于热力学系统相对于其子系统来说非常大，这时涨落相对于平均值是很小的，即使偶尔有大的涨落也会立即耗散掉，系统总要回到平均值附近，这些涨落不会对宏观的实际测量产生影响，因而可以被忽略掉。然而，在临界点(即所谓阈值)附近，情况就大不相同了，这时涨落可能不自生自灭，而是被不稳定的系统放大，最后促使系统达到新的宏观态。     当在临界点处系统内部的长程关联作用产生相干运动时，反映系统动力学机制的非线性方程具有多重解的可能性，自然地提出了在不同结果之间进行选择的问题，在这里瞬间的涨落和扰动造成的偶然性将支配这种选择方式，所以普里戈金提出涨落导致有序的论断，它明确地说明了在非平衡系统具有了形成有序结构的宏观条件后，涨落对实现某种序所起的决定作用。 (5)突变     阈值即临界值对系统性质的变化有着根本的意义。在控制参数越过临界值时，原来的热力学分支失去了稳定性，同时产生了新的稳定的耗散结构分支，在这一过程中系统从热力学混沌状态转变为有序的耗散结构状态，其间微小的涨落起到了关键的作用。这种在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫做突变。耗散结构的出现都是以这种临界点附近的突变方式实现的。 比利时布鲁塞尔学派领导人普里高京于1967年在第一届理论物理与生物学国际会议上发表了名为《结构、耗散和生命》的论文，正式提出了耗散结构理论。普里高京因此获得了诺贝尔奖。 耗散结构理论指出：一个开放系统（无论是力学的、物理的、化学的还是生物的乃至社会的经济的系统）处在远离平衡态的非线性区域，当系统的某个参数变化到达一定的的临界值（阈值）时，通过涨落，系统发生突变，即非平衡相变，其状态可能从原来的混乱无序的状态转变到一种在时间上、空间上或功能上有序的新状态，这种新的有序结构（耗散结构）需要系统不断的与外界交换物质和能量才能得以维持并保持一定的稳定性，且不会因外界的微小扰动而消失。 耗散结构有四个条件：（1）系统必须是开放的，（2）系统必须处于远离平衡态，（3）系统内部存在非线性的相互作用，（4）涨落导致有序。 自然界的生物种类极其繁多，形态各异，功能复杂，构成了绚丽多彩的生物世界。同时生物界也是自然界中最富有生气和最具神秘感的领域。孤立系统不能产生有序结构，因为根据热力学第二定律，孤立系统的熵是永不减少的。因此耗散结构一定产生于开放系统，必须存在由环境流向系统的负熵流，而且能够抵消掉系统自身的熵增，才能使系统的熵减小，有序度增加。玻尔兹曼原理虽对解释平衡结构是成功的，却无法用来说明非平衡的有序结构，对于平衡态系统各个微观组态是等概率出现的，对于生物体，它是由分子、细胞、组织、器官、个体、群体按各种要求与层次组成的，在各层次上都表现出有序性，因此自组织现象（尤其是生命现象）只能在远离平衡态的条件下生存。因此普里高京认为，非平衡是有序之源。从系统内部组织的相互作用和动力学行为来看，能形成耗散结构的系统以及其演化过程所服从的动力学方程都是非线性的。在一些自组织现象如贝纳德流、激光、化学振荡的出现都是伴随着对称性破缺的突变现象，这些系统经历对称性破缺形成时空有序结构是自发进行的。涨落是指系统中某个变量和行为对平均值所发生的偏离，它使系统离开了原来的状态或轨道。对稳定系统来说，涨落是一种干扰，它引起系统的无序，这时系统有抗干扰能力，迫使涨落衰减，如果系统处在不稳定的临界状态，小的涨落不仅不会衰减，反而会被放大，驱动系统从不稳定状态跃迁到一个新的有序状态。这就是耗散结构强调的“涨落导致有序”。 普里高京学派认为，自组织是这样形成的：首先是系统内部的功能（即系统内部所包含的非线性、自催化、反馈机制等），由于这种功能，当系统离开平衡时，其无序状态会失去稳定性，另一方面是时空或功能结构，当无序状态失稳时，系统的功能所容许的有序结构是稳定的，最后一方面是涨落，当无序状态失稳后，涨落扮演了扰动的角色，促使系统从无序状态跃迁到有序状态。 总之，所谓自组织过程是指系统内部具有一定功能的开放系统在远离平衡态时，因其无序状态的失稳，在系统内部涨落的驱动下转变为宏观尺度上稳定的时间、空间或功能结构的过程。形成的结构称作耗散结构，它必须在系统不断与外界交流物质、能量的条件下才能维持。自组织必定是由系统内部的功能而自发形成的，外界之提供一定的条件而不进行直接的干预与安排。 自然界的美、自然界的结构与和谐性不是上帝创造的，而是自组织的结果。在研究结构起源时有两种趋势，一是着眼个体，将万物分解为基本的单元，如将晶体分解为分子、原子、原子核、电子、中子、质子、夸克等，或将生物体分解为器官、组织、细胞、细胞膜、细胞核、分子、原子等，这种方法取得了巨大的成功。另一种趋势是强调事物的整体性，即亚里士多德强调的整体大于部分的总和，即研究系统各部分的联系与相互作用对整体的影响，这种方法正在迅速发展。 谈到这里，也许许多人会对世界的复杂性有了一定程度的认识，也似乎在告诉我们，任何宏观物质都是极为复杂的，那种在数学上的理想化方程与物理上的理想化模型一定会或多或少的与事实存在偏差。然而，实验再一次证明，理想化模型在现实世界里的确是存在的，而且一度成为科学前沿，经久不衰，并有几位研究者获得了诺贝尔奖…… 耗散结构 (dissipative structure) 关于“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一 个重要新分支，是由比利时科学家伊里亚·普里戈津(I．Prigogine)于20世纪70年代提出的，由 于这一成就，普里戈津获1977年诺贝尔化学奖。差不多是同一时间，西德物理学家赫尔曼·哈肯 (H．Haken)提出了从研究对象到方法都与耗散结构相似的“协同学”(Syneraetics)，哈肯于 1981年获美国富兰克林研究院迈克尔逊奖。现在耗散结构理论和协同学通常被并称为自组织 理论。 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。