耗散結(jié)構(gòu) (dissipative structure) 關(guān)于“耗散結(jié)構(gòu)”的理論是物理學(xué)中非平衡統(tǒng)計的一個重要新分支，是由比利時科學(xué)家伊里亞·普里戈津(I．Prigogine)于20世紀70年代提出的，由于這一成就，普里戈津獲1977年諾貝爾化學(xué)獎。差不多是同一時間，西德物理學(xué)家赫爾曼·哈肯 (H．Haken)提出了從研究對象到方法都與耗散結(jié)構(gòu)相似的“協(xié)同學(xué)”(Syneraetics)，哈肯于1981年獲美國富蘭克林研究院邁克爾遜獎?，F(xiàn)在耗散結(jié)構(gòu)理論和協(xié)同學(xué)通常被并稱為自組織理論。 我們首先從幾個例子看一下究竟什么是耗散結(jié)構(gòu)。天空中的云通常是不規(guī)則分布的，但有時藍天和白云會形成藍白相間的條紋，叫做天街，這是一種云的空間結(jié)構(gòu)。容器裝有液體，上下底分別同不同溫度的熱源接觸，下底溫度較上底高，當(dāng)兩板間溫差超過一定閾值時，液體內(nèi)部就 會形成因?qū)α鞫a(chǎn)生的六角形花紋，這就是著名的貝納德效應(yīng)，它是流體的一種空間結(jié)構(gòu)。在貝洛索夫—一薩波金斯基反應(yīng)中，當(dāng)用適當(dāng)?shù)拇呋瘎┖椭甘緞┳鞅岬匿逅嵫趸磻?yīng)時，反應(yīng)介 質(zhì)的顏色會在紅色和藍色之間作周期性變換，這類現(xiàn)象一般稱為化學(xué)振蕩或化學(xué)鐘，是一種時間結(jié)構(gòu)。在某些條件下這類反應(yīng)的反應(yīng)介質(zhì)還可以出現(xiàn)許多漂亮的花紋·，此即薩波金斯基花紋，它展示的是一種空間結(jié)構(gòu)。在另外一些條件下，薩波金斯基花紋會成同心圓或螺旋狀向外擴散，象波一樣在介質(zhì)中傳播，這就是所謂化學(xué)波，這是一種時間一一空間結(jié)構(gòu)。諸如此類的例子很多， 它們都屬于耗散結(jié)構(gòu)的范疇。 為了從各不相同的耗散結(jié)構(gòu)實例中找出其本質(zhì)的特征和規(guī)律，普里戈津?qū)W派研究了非平衡熱力學(xué),繼承和發(fā)展了前人關(guān)于物理學(xué)中相變的理論，運用了當(dāng)代非線性微分方程以及隨機過程 的數(shù)學(xué)知識，揭示出耗散結(jié)構(gòu)有如下幾方面的基本特點。
首先，產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)都包含有大量的系統(tǒng)基元甚至多層次的組分。貝納德效應(yīng)中的液體包含大量分子。天空中的云包含有由水分子組成的水蒸氣、液滴，水晶和空氣，因而是含有多組分多層次的系統(tǒng)。至于貝洛索夫——薩波金斯基反應(yīng)，其中不僅含有大量分子原子和離子，并且有許多化學(xué)成分。不僅如此，在產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，基元間以及不同的組分和層次間還通常 存在著錯綜復(fù)雜的相互作用，其中尤為重要的是正反饋機制和非線性作用。正反饋可以看作自我 復(fù)制自我放大的機制，是“序”產(chǎn)生的重要因素，而非線性可以使系統(tǒng)在熱力學(xué)分支失穩(wěn)的基礎(chǔ) 上重新穩(wěn)定到耗散結(jié)構(gòu)分支上。
第二，產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)必須是開放系統(tǒng)，必定同外界進行著物質(zhì)與能量的交換。天街中的云一定會和周圍的大氣和云進行物質(zhì)交并和外界進行能量交換。如欲維持貝洛索夫一薩 波金斯基反應(yīng)中的時間、空間，時間——空間結(jié)構(gòu)，則需不斷地向進行反應(yīng)的容器中注入所需的化學(xué)物質(zhì)，這正是系統(tǒng)與外界的物質(zhì)交換。耗散結(jié)構(gòu)之所以依賴于系統(tǒng)開放，是因為根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一個孤立系統(tǒng)的熵要隨時間增大直至極大值，此時對應(yīng)最無序的平衡態(tài)，也就是說孤立系統(tǒng)絕對不會出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)。而開放系統(tǒng)可以使系統(tǒng)從外界引入足夠強的負熵流來抵消系統(tǒng)本身的熵產(chǎn)生而使系統(tǒng)總熵減少或不變，從而使系統(tǒng)進入或維持相對有序的狀態(tài)。
第三，產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)必須處于遠離平衡的狀態(tài)。為了簡單說朋問題，先舉一個有關(guān)平 衡狀態(tài)的例子。假定暖水瓶是完全隔熱的，里邊放入溫水，蓋上瓶塞，其中的水不再受外界任何影響，最后水就進入一種各處溫度均勻，沒有宏觀流動和翻滾且不再隨時間改變的狀態(tài)，叫平衡態(tài)，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)稱為平衡結(jié)構(gòu)。根據(jù)熱力學(xué)理論，在這種狀態(tài)下是不可能出現(xiàn)任何耗散結(jié)構(gòu)的。如果把瓶塞打開，用細棒攪拌瓶中的水，這時系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生翻滾流動，脫離平衡態(tài)。但若重新蓋上瓶塞，經(jīng)過足夠長時間，系統(tǒng)又將不可避免的馳豫到新的平衡態(tài)，仍不會有耗散結(jié)構(gòu)。這表明系統(tǒng)雖走出了平衡態(tài)，但離開平衡態(tài)不夠“遠”。要想使系統(tǒng)產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)，就必須通過外界的物質(zhì)流 和能量流驅(qū)動系統(tǒng)使它遠離平衡至一定程度，至少使其越過非平衡的線性區(qū)，即進入非線性區(qū)。 最明顯的例子是貝納德效應(yīng)，若上下溫差很小，不會出現(xiàn)六角形花紋，表明系統(tǒng)離開平衡態(tài)不夠 遠。待溫差達到一定程度，即離開平衡態(tài)足夠遠，才發(fā)生貝納德對流。這里強調(diào)指出，耗散結(jié)構(gòu)與平衡結(jié)構(gòu)有本質(zhì)的區(qū)別。平衡結(jié)構(gòu)是一種“死”的結(jié)構(gòu)，它的存在和維持不依賴于外界、而耗散結(jié) 構(gòu)是個“活”的結(jié)構(gòu)，它只有在非平衡條件下依賴于外界才能形成和維持。由于它內(nèi)部不斷產(chǎn)生熵，就要不斷地從外界引入負熵流，不斷進行“新陳代謝”過程，一旦這種“代謝”條件被破壞，這個結(jié)構(gòu)就會“窒息而死”。所有自然界的生命現(xiàn)象都必須用第二種結(jié)構(gòu)來解釋。
第四，耗散結(jié)構(gòu)總是通過某種突變過程出現(xiàn)的，某種臨界值的存在是伴隨耗散結(jié)構(gòu)現(xiàn)象的一大特征，如貝納德對流，激光，化學(xué)振蕩均是系統(tǒng)控制參量越過一定閾值時突然出現(xiàn)的。 最后，耗散結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)是由于遠離平衡的系統(tǒng)內(nèi)部漲落被放大而誘發(fā)的。什么是漲落呢？舉個例子，密閉容器內(nèi)的氣體，如果不受周圍環(huán)境的影響或干擾，就會像前面所說的那樣達到平衡態(tài)，不難想象，這時容器內(nèi)各處氣體的密度是均勻的。然而由于大量氣體分子作無規(guī)則熱運動而 且相互碰撞，可能某瞬時容器內(nèi)某處的密度略微偏大，另一瞬時又略微偏小，即密度在其平均值 上下波動。這種現(xiàn)象就叫漲落。如果僅限于討論處于平衡態(tài)氣體內(nèi)部的漲落，意義并不十分大。 雖然無規(guī)則運動和碰撞的存在將不時產(chǎn)生相對于平衡的偏差。但由于同樣的原因這種偏差又不斷地平息下去，從而平衡得以維持。在遠離平衡時，意義就完全不同了，微小的漲落就能不斷被 放大使系統(tǒng)離開熱力學(xué)分支而進入新的更有序的耗散結(jié)構(gòu)分支。漲落之所以能發(fā)揮這么大的作 用是因為熱力學(xué)分支的失穩(wěn)已為這一切準備好了必要的條件，漲落對系統(tǒng)演變所起的是一種觸 發(fā)作用。
綜述以上各點概括起來說，所謂耗散結(jié)構(gòu)就是包含多基元多組分多層次的開放系統(tǒng)處于遠 離平衡態(tài)時在漲落的觸發(fā)下從無序突變?yōu)橛行蚨纬傻囊环N時間，空間或時間——空間結(jié)構(gòu)。 耗散結(jié)構(gòu)理論的提出對當(dāng)代哲學(xué)思想產(chǎn)生了深遠的影響，該理論引起了哲學(xué)家們的廣泛注 意。在耗散結(jié)構(gòu)理論創(chuàng)立前，世界被一分為二：其一是物理世界，這個世界是簡單的、被動的、僵死的，不變的可逆的和決定論的量的世界；另一個世界是生物界和人類社會，這個世界是復(fù)雜的、 主動的、活躍的、進化的，不可逆和非決定論的質(zhì)的世界。物理世界和生命世界之間存在著巨大的差異和不可逾越的鴻溝，它們是完全分離的，從而伴隨而來的是兩種科學(xué)，兩種文化的對立。而 耗散結(jié)構(gòu)理論則在把兩者重新統(tǒng)一起來的過程中起著重要的作用。耗散結(jié)構(gòu)理論極大地豐富了 哲學(xué)思想，在可逆與不可逆，對稱與非對稱，平衡與非平衡，有序與無序、穩(wěn)定與不穩(wěn)定，簡單與復(fù)雜，局部與整體，決定論和非決定論等諸多哲學(xué)范疇都有其獨特的貢獻。 耗散結(jié)構(gòu)理論可以應(yīng)用于研究許多實際現(xiàn)象。上面所談的“天街、貝納德效應(yīng)以及貝洛索夫 ——薩波金斯基反應(yīng)分別屬于物理和化學(xué)范疇，值得提到的是在生命現(xiàn)象中也包含有多層次多組分，例如從種群、個體、器官、組織、細胞以及于生物分子，各層次間以及同一層次的各種組分間存在著更為復(fù)雜的相互作用。生命系統(tǒng)需要新陳代謝，因而必定是開放系統(tǒng)。再者生命系統(tǒng)必然是遠離平衡的。因此生命系統(tǒng)成為耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用的對象是十分自然的。這方面目前取得較多 進展的有動物體內(nèi)釋放能量的生化反應(yīng)糖酵解的時間振蕩，還有關(guān)于腫瘤免疫監(jiān)視的問題以及 一些生態(tài)學(xué)中的問題。
從廣義講，人類社會也是遠離平衡的開放系統(tǒng)。因此，像都市的形成發(fā)展， 城鎮(zhèn)交通，航海捕魚，教育經(jīng)濟問題等社會經(jīng)濟問題也可作為耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用的領(lǐng)域。 耗散結(jié)構(gòu)理論自提出以來，一直在理論和實際應(yīng)用兩個方面同時拓展，今后的發(fā)展也可望順 著這個路子往下走。因為并非一切遠離平衡的復(fù)雜性開放系統(tǒng)的行為都可以歸納為耗散結(jié)構(gòu)，所 以，作為更高層次的一般研究復(fù)雜系統(tǒng)的系統(tǒng)科學(xué)的一個分支理論，面對紛繁復(fù)雜的實際世界， 其未來充滿挑戰(zhàn)，也面對機會，可謂任重道遠。
參考書目 沈小峰、胡崗、姜璐：《耗散結(jié)構(gòu)論》，上海人民出版社，上海，1987。 I.普里戈金，G·尼科里斯：《非平衡系統(tǒng)的自組織》，科學(xué)出版社，北京，1986。
耗散結(jié)構(gòu)理論 一種關(guān)于非平衡系統(tǒng)的自組織理論。這一理論的創(chuàng)始人是比利時布魯塞爾自由大學(xué)的普利高津。1969年，他在論文《結(jié)構(gòu)、耗散和生命》中正式提出了耗散結(jié)構(gòu)概念。在研究中，他將熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)從平衡態(tài)向近平衡態(tài)再向遠離平衡態(tài)推進，他發(fā)現(xiàn)一個開放系統(tǒng)（無論是力學(xué)系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、化學(xué)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)還是社會系統(tǒng)）在到達遠離平衡態(tài)的非線性區(qū)域時，一旦系統(tǒng)中的某個參量變化達到一定的閾值，系統(tǒng)就有可能發(fā)生突變，即非平衡相變，由原來無序的混亂狀態(tài)轉(zhuǎn)變到一種時間、空間或功能上有序的新的狀態(tài)。
這種有序狀態(tài)需要不斷地與外界交換物質(zhì)和能量才能維持，并保持一定的穩(wěn)定性，且不因外界微小的擾動而消失。由于這種在遠離平衡的非線性區(qū)域形成的新的穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)需要耗散能量維持自身，所以被稱之為耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)理論之所以又稱非平衡系統(tǒng)的自組織理論，是因為這種結(jié)構(gòu)在一定的外界條件下會出現(xiàn)自組織現(xiàn)象，即自行產(chǎn)生組織性和相干性。這種理論在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、社會學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，它可以研究不同系統(tǒng)從無序向有序轉(zhuǎn)化的共同規(guī)律。
耗散結(jié)構(gòu)的概念是比照平衡結(jié)構(gòu)建立起來的。二者的區(qū)別在于，平衡結(jié)構(gòu)是一種“死”的結(jié)構(gòu)，維持自身所需要的不是能量或物質(zhì)的交換，而是不與外界發(fā)生任何聯(lián)系或作用。晶體就是典型的平衡結(jié)構(gòu)。一旦與外界發(fā)生了能量或物質(zhì)交換，平衡結(jié)構(gòu)就面臨著解體。
耗散結(jié)構(gòu)是一種“活”的結(jié)構(gòu)，它需要與外界不斷地進行物質(zhì)和能量交換，進行新陳代謝，吐故納新才能維持其自身的有序狀態(tài)。否則耗散結(jié)構(gòu)的末日就要到了。自然界存在著大量的形形色色的耗散結(jié)構(gòu)，生物是最典型的耗散結(jié)構(gòu)：新陳代謝的停止意味著生命的結(jié)束。以普利高津為代表的布魯塞爾學(xué)派對耗散結(jié)構(gòu)形成的機理、條件等進行了深入的研究，為了描述系統(tǒng)從無序向有序的轉(zhuǎn)變，他們建立了一套理論框架和數(shù)學(xué)模型。該理論認為，形成耗散結(jié)構(gòu)至少要具備四個條件：（1）系統(tǒng)必須是一個開放系統(tǒng)；（2）系統(tǒng)要遠離平衡態(tài)；（3）系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間存在非線性的相互作用；（4）系統(tǒng)從無序向有序的演化是通過隨機的漲落來實現(xiàn)的。根據(jù)普利高津的理論，非平衡是有序之源，而漲落在遠離平衡時非但不導(dǎo)致混亂，反倒是有序的保障。耗散結(jié)構(gòu)理論仍在發(fā)展之中，它在人類知識的各個部門都有應(yīng)用的前景，它所涉及到的時間問題和復(fù)雜性問題等等，在哲學(xué)上和科學(xué)上都有著廣泛而深刻的意義。
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