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耗散結構論

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耗散結構理論的創始人是伊里亞·普里戈金(Ilya Prigogine)教授，由於對非平衡熱力學尤其是建立耗散結構理論方面的貢獻，他榮獲了1977年諾貝爾化學獎。普里戈金的早期工作在化學熱力學領域，1945年得出了最小熵產生原理，此原理和昂薩格倒易關係一起為近平衡態線性區熱力學奠定了理論基礎。普里戈金以多年的努力，試圖把最小熵產生原理延拓到遠離平衡的非線性區去，但以失敗告終，在研究了諸多遠離平衡現象後，使他認識到系統在遠離平衡態時，其熱力學性質可能與平衡態、近平衡態有重大原則差別。
中文名
耗散結構論
外文名
Dissipative structure theory
創始人
伊里亞·普里戈金
建    立
耗散結構理論
榮    獲
1977年諾貝爾化學獎

目錄

  1. 1 產生
  2. 2 基本概念
  3. ▪ 遠離平衡態
  4. ▪ 非線性
  1. ▪ 開放系統
  2. ▪ 漲落
  3. ▪ 突變
  4. 3 基本思想
  1. 4 重大缺陷
  2. 5 改造

耗散結構論產生

19世紀存在着兩種對立的發展觀。一種是以熱力學第二定律為依據推演出的退化觀念體系，它認為，由於能量的耗散，世界萬物趨於衰弱，宇宙趨於“熱寂”，結構趨於消亡，無序度趨於極大值，整個世界隨着時間的進程而走向死亡；另一種是以達爾文的進化論為基礎的進化觀念體系，它指出，社會進化的結果是種類不斷分化、演變而增多，結構不斷複雜而有序，功能不斷進化而強化，整個自然界和人類社會都是向着更為高級、更為有序的組織結構發展。顯然，物理學與生物學、社會學中的這兩種觀點至少表面上在發展觀上是根本對立的。難道生命系統與非生命系統之間真的有着完全不同的運動規律嗎？為此，物理學家普利戈金創立了“耗散結構論”，他認為，無論是生命物質還是非生命物質，應該遵循同樣的自然規律，生命的過程必然遵循某種複雜的物理定律。
以普里戈金為首的布魯塞爾學派又經過多年的努力，終於建立起一種新的關於非平衡系統自組織的理論──耗散結構理論。這一理論於1969年由普里戈金在一次“理論物理學和生物學”的國際會議上正式提出。
自組織現象是指自然界中自發形成的宏觀有序現象。在自然界中這種現象是大量存在的，理論研究較多的典型實例如：貝納德（Bé nard）流體的對流花紋，貝洛索夫－扎鮑廷斯基（Belousov-Zhabotinsky）化學振盪花紋與化學波，激光器中的自激振盪等。自組織理論除耗散結構理論外，還包括協同學、超循環理論等，它們力圖溝通物理學與生物學甚至社會科學，對時間本質問題等的研究有突破性進展，在相當程度上説明了生物及社會領域的有序現象。
耗散結構是自組織現象中的重要部分，它是在開放的遠離平衡條件下，在與外界交換物質和能量的過程中，通過能量耗散和內部非線性動力學機制的作用，經過突變而形成並持久穩定的宏觀有序結構。
耗散結構理論提出後，在自然科學和社會科學的很多領域如物理學、天文學、生物學、經濟學、哲學等都產生了巨大影響。著名未來學家阿爾文·托夫勒在評價普里戈金的思想時，認為它可能代表了一次科學革命。

耗散結構論基本概念

耗散結構論可概括為：一個遠離平衡態的非線性的開放系統（不管是物理的、化學的、生物的乃至社會的、經濟的系統）通過不斷地與外界交換物質和能量，在系統內部某個參量的變化達到一定的閾值時，通過漲落，系統可能發生突變即非平衡相變，由原來的混沌無序狀態轉變為一種在時間上、空間上或功能上的有序狀態。這種在遠離平衡的非線性區形成的新的穩定的宏觀有序結構，由於需要不斷與外界交換物質或能量才能維持，因此稱之為“耗散結構”（dissipative structure）。
可見，要理解耗散結構理論，關鍵是弄清楚如下幾個概念：遠離平衡態、非線性、開放系統、漲落、突變。

耗散結構論遠離平衡態

遠離平衡態是相對於平衡態和近平衡態而言的。平衡態是指系統各處可測的宏觀物理性質均勻（從而系統內部沒有宏觀不可逆過程）的狀態，它遵守熱力學第一定律：dE=dQ-pdV，即系統內能的增量等於系統所吸收的熱量減去系統對外所做的功；熱力學第二定律：dS/dt＞=0，即系統的自發運動總是向着熵增加的方向；和波爾茲曼有序性原理：pi=exp(-Ei/kT)，即温度為T的系統中內能為Ei的子系統的比率為pi.
近平衡態是指系統處於離平衡態不遠的線性區，它遵守昂薩格（Onsager）倒易關係和最小熵產生原理。前者可表述為：Lij=Lji，即只要和不可逆過程i相應的流Ji受到不可逆過程j的力Xj的影響，那麼，流Ji也會通過相等的係數Lij受到力Xi的影響。後者意味着，當給定的邊界條件阻止系統達到熱力學平衡態（即零熵產生）時，系統就落入最小耗散（即最小熵產生）的態。
遠離平衡態是指系統內可測的物理性質極不均勻的狀態，這時其熱力學行為與用最小熵產生原理所預言的行為相比，可能頗為不同，甚至實際上完全相反，正如耗散結構理論所指出的，系統走向一個高熵產生的、宏觀上有序的狀態。

耗散結構論非線性

系統產生耗散結構的內部動力學機制，正是子系統間的非線性相互作用，在臨界點處，非線性機制放大微漲落為巨漲落，使熱力學分支失穩，在控制參數越過臨界點時，非線性機制對漲落產生抑制作用，使系統穩定到新的耗散結構分支上。

耗散結構論開放系統

熱力學第二定律告訴我們，一個孤立系統的熵一定會隨時間增大，熵達到極大值，系統達到最無序的平衡態，所以孤立系統絕不會出現耗散結構。那麼開放系統為什麼會出現本質上不同於孤立系統的行為呢？其實，在開放的條件下，系統的熵增量dS是由系統與外界的熵交換deS和系統內的熵產生diS兩部分組成的，即：dS=deS+diS
熱力學第二定律只要求系統內的熵產生非負，即diS＞=0，然而外界給系統注入的熵deS可為正、零或負，這要根據系統與其外界的相互作用而定，在deS＜0的情況下，只要這個負熵流足夠強，它就除了抵消掉系統內部的熵產生diS外，還能使系統的總熵增量dS為負，總熵S減小，從而使系統進入相對有序的狀態。所以對於開放系統來説，系統可以通過自發的對稱破缺從無序進入有序的耗散結構狀態。

耗散結構論漲落

一個由大量子系統組成的系統，其可測的宏觀量是眾多子系統的統計平均效應的反映。但系統在每一時刻的實際測度並不都精確地處於這些平均值上，而是或多或少有些偏差，這些偏差就叫漲落，漲落是偶然的、雜亂無章的、隨機的。
在正常情況下，由於熱力學系統相對於其子系統來説非常大，這時漲落相對於平均值是很小的，即使偶爾有大的漲落也會立即耗散掉，系統總要回到平均值附近，這些漲落不會對宏觀的實際測量產生影響，因而可以被忽略掉。然而，在臨界點（即所謂閾值）附近，情況就大不相同了，這時漲落可能不自生自滅，而是被不穩定的系統放大，最後促使系統達到新的宏觀態。
當在臨界點處系統內部的長程關聯作用產生相干運動時，反映系統動力學機制的非線性方程具有多重解的可能性，自然地提出了在不同結果之間進行選擇的問題，在這裏瞬間的漲落和擾動造成的偶然性將支配這種選擇方式，所以普里戈金提出漲落導致有序的論斷，它明確地説明了在非平衡系統具有了形成有序結構的宏觀條件後，漲落對實現某種序所起的決定作用。

耗散結構論突變

閾值即臨界值對系統性質的變化有着根本的意義。在控制參數越過臨界值時，原來的熱力學分支失去了穩定性，同時產生了新的穩定的耗散結構分支，在這一過程中系統從熱力學混沌狀態轉變為有序的耗散結構狀態，其間微小的漲落起到了關鍵的作用。這種在臨界點附近控制參數的微小改變導致系統狀態明顯的大幅度變化的現象，叫做突變。耗散結構的出現都是以這種臨界點附近的突變方式實現的。

耗散結構論基本思想

耗散結構論把宏觀系統區分為三種：①與外界既無能量交換又無物質交換的孤立系；②與外界有能量交換但無物質交換的封閉系；③與外界既有能量交換又有物質交換的開放系。它指出，孤立系統永遠不可能自發地形成有序狀態，其發展的趨勢是“平衡無序態”；封閉系統在温度充分低時，可以形成“穩定有序的平衡結構”；開放系統在遠離平衡態並存在負熵流時，可能形成“穩定有序的耗散結構”。
耗散結構是在遠離平衡區的、非線性的、開放系統中所產生的一種穩定的自組織結構，由於存在非線性的正反饋相互作用，能夠使系統的各要素之間產生協調動作和相干效應，使系統從雜亂無章變為井然有序。
生物機體是一種遠離平衡態的有序結構，它只有不斷地進行新陳代謝才能生存和發展下去，因而是一種典型的耗散結構。人類是一種高度發達的耗散結構，具有最為複雜而精密的有序化結構和嚴謹協調的有序化功能。
耗散結構論認為，耗散結構的有序化過程往往需要以環境更大的無序化為代價，因此從整體上講，由耗散結構本身與周圍環境所組成的更大範圍的物質系統，仍然是不斷朝無序化的方向發展，仍然服從熱力第二定律。由此可見，達爾文的進化論所反映的系統從無序走向有序，以及克勞修斯的熱力學第二定律所反映的系統從有序走向無序，都只是宇宙演化序列中的一個環節。

耗散結構論重大缺陷

儘管耗散結構論等現代自然科學理論在原則上拉近了物理學與生物學之間的距離，但仍然無法把它直接應用到生物學的研究之中，更無法把它順利推廣應用到社會科學之中。耗散結構論等所建立的概念體系幾乎與社會科學的概念體系沒有直接的聯繫，其研究思路也與社會科學的研究思路相距甚遠，這説明耗散結構論等本身存在着重大的理論缺陷。歸納起來，耗散結構論等的缺陷主要表現在以下幾個方面。
  1. 沒能區分結構有序與能量有序。耗散結構論把耗散結構的結構有序與能量有序混為一談，而實際上，耗散結構的有序性在本質上就是能量的有序性。
  2. 沒能建立“負熵”與“價值”的聯繫。耗散結構論認為，任何耗散結構的生存與發展，需要不斷地生產與消費“負熵”，社會科學則認為，人類的生存與發展需要不斷地生產和消費價值。有人把負熵與價值截然割裂開來，認為“負熵與價值沒有任何聯繫”；也有人簡單而機械地把負熵與價值聯繫起來，認為“負熵就是價值”，顯然，這兩者都是非常錯誤的。
  3. 用“序參量”來度量有序化程度。協同學的創始人哈肯提出用“序參量”來描述一個系統宏觀有序的程度，用“序參量”的變化值來刻畫系統從有序向無序的轉變情況。一般來説，耗散結構的序參量方程的求解是非常困難的，甚至是根本不可能的。因此，採用“序參量”來描述一個系統宏觀有序的程度，是不現實和不科學的。
  4. 沒能準確把握信息的本質。信息論的創始人申農認為，信息是使不肯定程度減少的量，是一種消除不確定性的東西。控制論的創始人維納認為信息量是負熵，他還提出了信息量的計算公式。他們對信息的理解都建立在抽象意義上、結構特徵上和形式邏輯上，而不是建立在本質意義上，這些信息概念與社會科學意義上的信息概念存在着巨大的差異。
此外，協同論、突變論和超循環論等現代自然科學理論都是從生物分子的結構特徵、組織形式及其動力學特徵等微觀領域來探索耗散結構的有序化過程，而不能超越這些微觀領域，進入人類社會的宏觀領域，這在根本上決定了它們的發展局限性。

耗散結構論改造

為了消除耗散結構論等的缺陷，使自然科學與生物學及整個社會科學銜接起來，就必須對以耗散結構論為代表的現代自然科學進行重大改造。
  1. 區分結構有序化與能量有序化，用“熵變能”（或有序化能量）取代“負熵”。耗散結構的有序化是指能量上的“活”有序化，而不是指結構上的“死”有序化。熵是一個狀態函數，熵本身不能直接輸入或輸出，即“熵流”或“負熵流”是不可能單獨存在的，它只能依附於一定的能量之上，或者説，熵或負熵只能以一定的能量為載體，才能進行輸入或輸出，即推動系統的熵函數發生變化的動力源只能是能量，而不是“負熵流”。以熵為承載物的能量稱為熵變能，其中，能夠推動系統的熵函數產生熵減（或負熵）的能量，就是負熵變能（或有序化能量）；能夠推動系統的熵函數產生熵增（或正熵）的能量，就是正熵變能（或無序化能量）。
  2. 區分直接有序化能量與間接能量有序化能量，用“廣義有序化能量作”取代“廣義負熵”。促進耗散結構有序化的“負熵”除了直接負熵，還應該包括間接負熵，所謂“間接負熵”是指那些能夠對“直接負熵”產生替代、彌補、改善和加強作用的物質特性，它可折算成一定數量的“直接負熵”，直接負熵與間接負熵統稱為“廣義負熵”。由於熵與負熵都是狀態函數，不能直接輸入或輸出，因此“廣義負熵”是不可能單獨存在的，它只能依附於“廣義負熵變能”或“廣義有序化能量”，或者説，只能以一定的“廣義負熵變能”或“廣義有序化能量”為載體。“廣義有序化能量”由直接有序化能量與間接有序化能量所組成，所謂“間接有序化能量”是指那些能夠對“直接有序化能量”產生替代、彌補、改善和加強作用的非能量型物質特性，它可折算成一定數量的“直接有序化能量”。
  3. 區分功能有序與結構有序，用“價值率”來替代“序參量”。“序參量”只能用來反映耗散結構的結構有序化程度，而不能用來反映功能有序化程度，耗散結構論提出採用“序參量”來描述耗散結構的有序化程度，其結果是把人們引向一個理論誤區，使人們錯誤地把耗散結構的某些結構特徵作為其有序程度的客觀尺度，從而混淆“結構有序”與“功能有序”。事實上，耗散結構的有序化程度越高，其內部組織和內部要素就能夠產生越強大的相干作用和協調作用，就能夠產生越高的價值增長效應，因此只有事物的價值率才能客觀地、準確地反映事物內部各要素之間在功能上的協調作用和相干作用，才能客觀地、準確地度量耗散結構的有序化程度。
  4. 區分信息的功能特性與結構特性，準確把握信息的本質。信息的本質在於“消除不確定性”，由於“不確定性”實際上就是“無序性”，因此“消除不確定性”就等價於“提高有序性”或“降低無序性”，同樣，信息對於對於耗散結構的作用就是提高耗散結構的功能有序性，而不是提高耗散結構的結構有序性。信息是一種特殊的價值，它並不是直接為耗散結構提供廣義有序化能量，而是通過改變耗散結構對於廣義有序化能量的使用效益，來服務於耗散結構。具體而言，就是提高耗散結構的價值率。信息的準確定義是：“一切能夠改變事物價值率的內外因素稱為信息”（參閲“價值的哲學本質”）。