耗散

當系統處於遠離熱力學平衡的狀態時，在一定外界條件下，由於系統內部非線性相互作用，可以經過突變而形成新的有序結構——耗散結構。這裏的耗散指的是系統維持這種新型結構需要從外界輸入能量或物質。

耗散結構理論是比利時科學家普里高津在研究非平衡熱力學過程中提出的。因此，他獲得了1977年的諾貝爾化學獎。

20世紀40年代發展起來的不可逆過程熱力學，研究的主要是靠近平衡態的問題。按照熱力學第二定律，自然界的過程都是向着熵增加的方向進行的，即從有序到無序。而生物進化過程中，有些生命現象正好與此相反，是向熵減少的方向進行。如單細胞到多細胞，是從無序到有序以致高度有序的。再如，西瓜生長時，土地乾得很，水不僅不會從西瓜裏滲到泥土裏去，反而會從泥土裏聚集到西瓜裏去; 又如海帶和紫菜能把海水裏的碘集中起來，這種現象稱為富聚現象。它是直接與平衡態的熱力學和統計物理學的規律相反。正是這種現象，促進了非平衡態熱力學的發展，而耗散結構的理論也正是在研究非平衡熱力學過程中提出的理論，從而解決了上述問題。

耗散結構的出現是系統遠離平衡的一種非線性效應，因為在離平衡態不遠的非平衡線性區域裏，不可能發生突變，使系統過渡到新的穩定態而形成耗散結構。生命物質從生物大分子、細胞、組織、器官、個體種羣以致整個生物界，都是遠離平衡態的耗散結構，都是非孤立的，非平衡的，非線性系統，通過與周圍環境交換物質、能量和熵來維持和發展有序結構，即維持生活和生長，並導致進化。

耗散結構的理論目前基本上還處於客觀描述階段，但也取得了一定程度的進展。耗散結構的理論可用於流體、激光等系統，還可用於化學反應中的有序結構，生物進化，核反應過程，生態系統中的人口分佈，環境保護乃至交通運輸，城市發展等問題的研究。比如，城市就是一個耗散結構。它不斷靠外界供給材料 (各種消費資料和建築材料)，並不斷把廢品排出到外界去，也就是通過與外界的物資交流，從外界取得能量和負熵 (把熵給予外界)，才得以維持和發展，一旦與外界的交流斷絕了，便趨於停滯和死亡，最後變為無序的廢墟。

遠離平衡態的開放系統，通過與外界交換物質和能量，可能在一定的條件下形成一種新的穩定的有序結構。

典型的例子是貝納特流。在一扁平容器內充有一薄層液體，液層的寬度遠大於其厚度，從液層底部均勻加熱，液層頂部温度亦均勻，底部與頂部存在温度差。當温度差較小時，熱量以傳導方式通過液層，液層中不會產生任何結構。但當温度差達到某一特定值時，液層中自動出現許多六角形小格子，液體從每個格子的中心湧起、從邊緣下沉，形成規則的對流。從上往下可以看到貝納特流形成的蜂窩狀貝納特花紋圖案。這種穩定的有序結構稱為耗散結構。類似的有序結構還出現在流體力學、化學反應以及激光等非線性現象中。

耗散結構的特徵是：①存在於開放系統中，靠與外界的能量和物質交換產生負熵流，使系統熵減少形成有序結構。耗散即強調這種交換。對於孤立系統，由熱力學第二定律可知，其熵不減少，不可能從無序產生有序結構。②保持遠離平衡態。貝納特流中液層上下達到一定温度差的條件就是確保遠離平衡態。③系統內部存在着非線性相互作用。在平衡態和近平衡態，漲落是一種破壞穩定有序的干擾，但在遠離平衡態條件下，非線性作用使漲落放大，達到有序。

比利時的普里高津、德國的哈肯、日本的久保-鈴木等學派對遠離平衡態的耗散結構理論的建立與發展作出重要貢獻。但理論尚屬初級階段，有待於發掘新的概念、規律和數學工具。耗散結構理論已用於研究流體、激光等系統、核反應過程，生態系統中的人口分佈，環境保護問題，乃至交通運輸、城市發展等課題。

耗散結構 (dissipative structure) 關於“耗散結構”的理論是物理學中非平衡統計的一個重要新分支，是由比利時科學家伊里亞·普里戈津(I．Prigogine)於20世紀70年代提出的，由於這一成就，普里戈津獲1977年諾貝爾化學獎。差不多是同一時間，西德物理學家赫爾曼·哈肯(H．Haken)提出了從 研究對象到方法都與耗散結構相似的“協同學”(Syneraetics)，哈肯於1981年獲美國富蘭克林研究院邁克爾遜獎。現在耗散結構理論和協同學通常被並稱為自組織 理論。我們首先從幾個例子看一下究竟什麼是耗散結構。天空中的雲通常是不規則分佈的，但有 時藍天和白雲會形成藍白相間的條紋，叫做天街，這是一種雲的空間結構。容器裝有液體，上下底分別同不同温度的熱源接觸，下底温度較上底高，當兩板間温差超過一定閾值時，液體內部就 會形成因對流而產生的六角形花紋，這就是著名的貝納德效應，它是流體的一種空間結構。在貝洛索夫—一薩波金斯基反應中，當用適當的催化劑和指示劑作丙二酸的溴酸氧化反應時，反應介質的顏色會在紅色和藍色之間作週期性變換，這類現象一般稱為化學振盪或化學鍾，是一種時間 結構。在某些條件下這類反應的反應介質還可以出現許多漂亮的花紋·，此即薩波金斯基花紋，它展示的是一種空間結構。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，象波一樣在介質中傳播，這就是所謂化學波，這是一種時間一一空間結構。諸如此類的例子很多， 它們都屬於耗散結構的範疇。為了從各不相同的耗散結構實例中找出其本質的特徵和規律，普里戈津學派研究了非平衡熱力學,繼承和發展了前人關於物理學中相變的理論，運用了當代非線性微分方程以及隨機過程的數學知識，揭示出耗散結構有如下幾方面的基本特點。 ^[2] 

產生耗散結構的系統都包含有大量的系統基元甚至多層次的組分。貝納德效應中的液體包含大量分子。天空中的雲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。至於貝洛索夫——薩波金斯基反應，其中不僅含有大量分子原子和離子，並且有許多化學成分。不僅如此，在產生耗散結構的系統中，基元間以及不同的組分和層次間還通常存在着錯綜複雜的相互作用，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複製自我放大的機制，是“序”產生的重要因素，而非線性可以使系統在熱力學分支失穩的基礎 上重新穩定到耗散結構分支上。

產生耗散結構的系統必須是開放系統，必定同外界進行着物質與能量的交換。天空中的雲一定會和周圍的大氣和雲進行物質交併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中的時間、空間，時間——空間結構，則需不斷地向進行反應的容器中注入所需的 化學物質，這正是系統與外界的物質交換。耗散結構之所以依賴於系統開放，是因為根據熱力學第二定律，一個孤立系統的熵要隨時間增大直至極大值，此時對應最無序的平衡態，也就是説孤立系統絕對不會出現耗散結構。而開放系統可以使系統從外界引入足夠強的負熵流來抵消系統 本身的熵產生而使系統總熵減少或不變，從而使系統進入或維持相對有序的狀態。

產生耗散結構的系統必須處於遠離平衡的狀態。為了簡單説明問題，先舉一個有關平衡狀態的例子。假定暖水瓶是完全隔熱的，裏邊放入温水，蓋上瓶塞，其中的水不再受外界任何影響，最後水就進入一種各處温度均勻，沒有宏觀流動和翻滾且不再隨時間改變的狀態，叫平衡態，相應的結構稱為平衡結構。根據熱力學理論，在這種狀態下是不可能出現任何耗散結構的。如果把瓶塞打開，用細棒攪拌瓶中的水，這時系統內發生翻滾流動，脱離平衡態。但若重新蓋上瓶塞，經過足夠長時間，系統又將不可避免的馳豫到新的平衡態，仍不會有耗散結構。這表明系統雖走出了平衡態，但離開平衡態不夠“遠”。

耗散結構總是通過某種突變過程出現的，某種臨界值的存在是伴隨耗散結構現象的一大特徵，如貝納德對流，激光，化學振盪均是系統控制參量越過一定閾值時突然出現的。 最後，耗散結構的出現是由於遠離平衡的系統內部漲落被放大而誘發的。什麼是漲落呢?舉個例子，密閉容器內的氣體，如果不受周圍環境的影響或干擾，就會像前面所説的那樣達到平衡 態，不難想象，這時容器內各處氣體的密度是均勻的。然而由於大量氣體分子作無規則熱運動而且相互碰撞，可能某瞬時容器內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。這種現象就叫漲落。如果僅限於討論處於平衡態氣體內部的漲落，意義並不十分大。雖然無規則運動和碰撞的存在將不時產生相對於平衡的偏差。但由於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離開熱力學分支而進入新的更有序的耗散結構分支。漲落之所以能發揮這麼大的作 用是因為熱力學分支的失穩已為這一切準備好了必要的條件，漲落對系統演變所起的是一種觸發作用。

以上各點概括起來説，所謂耗散結構就是包含多基元多組分多層次的開放系統處於遠 離平衡態時在漲落的觸發下從無序突變為有序而形成的一種時間，空間或時間——空間結構。耗散結構理論的提出對當代哲學思想產生了深遠的影響，該理論引起了哲學家們的廣泛注 意。在耗散結構理論創立前，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，這個世界是複雜的、主動的、活躍的、進化的，不可逆和非決定論的質的世界。物理世界和生命世界之間存在着巨大的 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，兩種文化的對立。而耗散結構理論則在把兩者重新統一起來的過程中起着重要的作用。耗散結構理論極大地豐富了哲學思想，在可逆與不可逆，對稱與非對稱，平衡與非平衡，有序與無序、穩定與不穩定，簡單與複雜，局部與整體，決定論和非決定論等諸多哲學範疇都有其獨特的貢獻。耗散結構理論可以應用於研究許多實際現象。

要想使系統產生耗散結構，就必須通過外界的物質流 和能量流驅動系統使它遠離平衡至一定程度，至少使其越過非平衡的線性區，即進入非線性區。最明顯的例子是貝納德效應，若上下温差很小，不會出現六角形花紋，表明系統離開平衡態不夠遠。待温差達到一定程度，即離開平衡態足夠遠，才發生貝納德對流。這裏強調指出，耗散結構與 平衡結構有本質的區別。平衡結構是一種“死”的結構，它的存在和維持不依賴於外界、而耗散結構是個“活”的結構，它只有在非平衡條件下依賴於外界才能形成和維持。由於它內部不斷產 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，這個結構就會“窒息而死”。所有自然界的生命現象都必須用第二種結構來解釋。 ^[3] 

上面所談的“天街、貝納德效應以及貝洛索夫 ——薩波金斯基反應分別屬於物理和化學範疇，值得提到的是在生命現象中也包含有多層次多組分，例如從種羣、個體、器官、組織、細胞以及於生物分子，各層次間以及同一層次的各種組分間 存在着更為複雜的相互作用。生命系統需要新陳代謝，因而必定是開放系統。再者生命系統必然是遠離平衡的。因此生命系統成為耗散結構理論應用的對象是十分自然的。這方面目前取得較多 進展的有動物體內釋放能量的生化反應糖酵解的時間振盪，還有關於腫瘤免疫監視的問題以及一些生態學中的問題。

從人類社會也是遠離平衡的開放系統。因此，像都市的形成發展， 城鎮交通，航海捕魚，教育經濟問題等社會經濟問題也可作為耗散結構理論應用的領域。耗散結構理論自提出以來，一直在理論和實際應用兩個方面同時拓展，今後的發展也可望順 着這個路子往下走。因為並非一切遠離平衡的複雜性開放系統的行為都可以歸納為耗散結構，所以，作為更高層次的一般研究複雜系統的系統科學的一個分支理論，面對紛繁複雜的實際世界，其未來充滿挑戰，也面對機會，可謂任重道遠。

由於它內部不斷產 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，這個結構就會“窒息而死”。所有自然界的生命現象都必須用第二種結構來解釋。 ^[4]