耗散理論［作者：楊志煥 點擊數(shù)：4192 發(fā)表時間：2004-1-4］
耗散結(jié)構(gòu)理論是研究遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)從無序到有序的演化規(guī)律的一種理論。
耗散結(jié)構(gòu)是指處在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)在外界能量流或物質(zhì)流的維持下，通過自組織形成的一種新的有序結(jié)構(gòu)。“耗散”一詞起源于拉丁文，原意為消散，在這里強(qiáng)調(diào)與外界有能量和物質(zhì)交流這一特性。
例如，從下方加熱的液體，當(dāng)上下液面的溫度差超過某一特定的閾值時，液體中便出現(xiàn)一種規(guī)則的對流格子，它對應(yīng)著一種很高程度的分子組織，這種被稱為貝納爾 流圖像，就是液體中的一種耗散結(jié)構(gòu)。又如，化學(xué)反應(yīng)中的別洛索夫—扎博京斯基反應(yīng)，某些反應(yīng)物濃度隨時間和空間呈周期性的變化，這種化學(xué)振蕩和空間圖像， 就是化學(xué)反應(yīng)中的一種耗散結(jié)構(gòu)。
耗散結(jié)構(gòu)是比利時布魯塞爾學(xué)派著名的統(tǒng)計物理學(xué)家普里戈金，于1969年在理論物理和生物學(xué)國際會議上提出的一個概念。這是普里戈金學(xué)派20多年從事非平衡熱力學(xué)和非平衡統(tǒng)計物理學(xué)研究的成果。
1971年普里戈金等人寫成著作《結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定和漲落的熱力學(xué)理論》，比較詳細(xì)地闡明了耗散結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)理論，并將它應(yīng)用到流體力學(xué)。化學(xué)和生物學(xué)等方面，引起了人們的重視。
1971～1977年耗散結(jié)構(gòu)理論的研究有了進(jìn)一步的發(fā)展。這包括用非線性數(shù)學(xué)對分岔的討論，從隨機(jī)過程的角度說明漲落和耗散結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，以及耗散結(jié)構(gòu)在化學(xué)和生物學(xué)等方面的應(yīng)用。1977年普里戈金等人所著《非平衡系統(tǒng)中的自組織》一書就是這些成果的總結(jié)。
之后，耗散結(jié)構(gòu)理論的研究又有了新的發(fā)展，主要是用非平衡統(tǒng)計方法，考察耗散結(jié)構(gòu)形成的過程和機(jī)制，討論非線性系統(tǒng)的特性和規(guī)律，以及耗散結(jié)構(gòu)理論在社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等方面的應(yīng)用等。
耗散結(jié)構(gòu)理論把復(fù)雜系統(tǒng)的自組織問題當(dāng)作一個新方向來研究。在復(fù)雜系統(tǒng)的自組織問題上，人們發(fā)現(xiàn)有序程度的增加隨著所研究對象的進(jìn)化過程而變得復(fù)雜起來， 會產(chǎn)生各種變異。針對進(jìn)化過程時間方向不可逆問題，借助于熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)用耗散結(jié)構(gòu)理論研究一般復(fù)雜系統(tǒng)，提出非平衡是有序的起源，并以此作為基本出 發(fā)點，在決定性和隨機(jī)性兩方面建立了相應(yīng)的理論。
在決定性理論方面，以化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)為例，耗散結(jié)構(gòu)理論是在等溫、等壓、穩(wěn)定的邊界條件和局域平衡四個假定下，考察復(fù)雜的開放系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)服從的統(tǒng)計力學(xué)規(guī)律建立相應(yīng)的方程。
用微分方程的穩(wěn)定性理論已經(jīng)證明：復(fù)雜的開放系統(tǒng)在平衡態(tài)附近的非平衡區(qū)域不可能形成新的有序結(jié)構(gòu)，在這個區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的基本特征是趨向平衡態(tài)。在遠(yuǎn)離平衡 態(tài)的非平衡區(qū)域，系統(tǒng)可以形成新的有序結(jié)構(gòu)，即耗散結(jié)構(gòu)。這種耗散結(jié)構(gòu)只能通過連續(xù)的能量流或物質(zhì)流來維持，它是在熱力學(xué)不穩(wěn)定性上的一種新型組織，具有 時間和空間的相干特性。這是一種與平衡條件下出現(xiàn)的平衡結(jié)構(gòu)完全不同的結(jié)構(gòu)。
在隨機(jī)性理論方面，耗散結(jié)構(gòu)理論運(yùn)用數(shù)學(xué)中的概率論和隨機(jī)過程論分析復(fù)雜系統(tǒng)，考察系統(tǒng)內(nèi)的漲落，認(rèn)為耗散結(jié)構(gòu)形成的機(jī)制是由于系統(tǒng)內(nèi)漲落的放大。系統(tǒng)在 某個特定的閾值以下，漲落引起的效應(yīng)由于平均而減弱和消失，因而不能形成新的有序結(jié)構(gòu)。只是在達(dá)到閾值以后，漲落被放大才產(chǎn)生宏觀效應(yīng)，因而出現(xiàn)新的有序 結(jié)構(gòu)。這實質(zhì)上對應(yīng)于一個宏觀量級的漲落，并且由于和外界交換能量或物質(zhì)而得到穩(wěn)定。
耗散結(jié)構(gòu)理論比較成功地解釋了復(fù)雜系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)這一自然現(xiàn)象，并得到廣泛的應(yīng)用。它已在解釋和分析流體、激光器、電子回路、化學(xué)反應(yīng)、 生命體等復(fù)雜系統(tǒng)中出現(xiàn)的耗散結(jié)構(gòu)方面獲得了很多有意義的結(jié)果，并且正在用耗散結(jié)構(gòu)理論研究一些新的現(xiàn)象。諸如核反應(yīng)過程，生態(tài)系統(tǒng)中的人口分布，環(huán)境保 護(hù)，交通運(yùn)輸和城市發(fā)展等，都可當(dāng)作遠(yuǎn)離平衡態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)來研究。這方面的工作也取得了一定的進(jìn)展。
耗散結(jié)構(gòu)的研究揭示了一種重要的自然現(xiàn)象，并對復(fù)雜系統(tǒng)的研究提出了新的方向。在數(shù)學(xué)上描述復(fù)雜系統(tǒng)的方程通常是非線性的，一般包括分岔現(xiàn)象。耗散結(jié)構(gòu)實質(zhì)上對應(yīng)于系統(tǒng)方程在遠(yuǎn)離平衡區(qū)的一個分岔解。因此，耗散結(jié)構(gòu)的研究必然促進(jìn)分岔理論的發(fā)展。
耗散結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是一種突變現(xiàn)象，研究這類現(xiàn)象有助于豐富突變論的內(nèi)容。在隨機(jī)理論方面，耗散結(jié)構(gòu)的研究會促進(jìn)隨機(jī)過程論、隨機(jī)微分方程理論和隨機(jī)偏微分方程理論的研究和發(fā)展。
在物理學(xué)方面，耗散結(jié)構(gòu)的概念擴(kuò)大和加深了物理學(xué)中的有序概念。對不同物理體系中各種耗散結(jié)構(gòu)的研究，豐富了熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)中關(guān)于相變的研究內(nèi)容，開辟了新的研究領(lǐng)域，為物理學(xué)研究這些非平衡非線性問題提供了新概念和新方法。
在化學(xué)和生物學(xué)方面，化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)和生物學(xué)系統(tǒng)中耗散結(jié)構(gòu)的研究，為生命體的生長發(fā)育和生物進(jìn)化過程提供了新的解釋，提供了新的概念和方法。在系統(tǒng)科學(xué)方面，耗散結(jié)構(gòu)理論利用數(shù)學(xué)和物理學(xué)的概念和方法研究復(fù)雜系統(tǒng)的自組織問題，成為系統(tǒng)學(xué)的一個重要組成部分。
