耗散结构理论的深度优化

2023-07-15 理论教育版权反馈

【摘要】：耗散结构学说，也是一种系统理论。耗散结构概念是相对于平衡结构概念提出的。这种远离平衡态的稳定、有序结构称之为“耗散结构”。也就是说，耗散结构理论认为系统的发展过程完全可以经过突变，通过能量的耗散与系统内非线性动力学机制来形成和维持与平衡结构完全不同的时空有序结构。这就是耗散结构理论的精髓之所在。

一个容器装有液体，下方加热，当加热强度达到某个临界值时，液体会出现很多中心流体向上运动、周边流体向下运动，形成微小对流形式的六角形的花纹结构，如图1-3所示。这种空间上有序结构出现，不依靠外力安排，而发生于系统内部。一个开放系统，当与外界不断交换物质、能量和信息，并当外界条件达到一定阈值，系统可从原有混乱状态转变为一种在时间、或空间、或功能上的有序状态，我们把所形成的这种新有序结构称为耗散结构（Dissipative Structure）。

比利时物理学家伊里亚·普里高津，1970年代创立了该学说。耗散结构学说，也是一种系统理论。耗散结构概念是相对于平衡结构概念提出的。长期以来，物理学中人们只研究平衡系统有序稳定结构，并认为倘若系统原先是处于一种混乱无序的非平衡状态时，是不能在非平衡状态下呈现出一种稳定有序结构。普里高津从热力学第二定律出发，通过研究非平衡状态热力学，指出一个远离平衡态的开放系统，在外界条件变化达到某一特定阈值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界交换能量与物质，就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能上的有序状态。这种远离平衡态的稳定、有序结构称之为“耗散结构”。这一学说回答了开放系统如何从无序走向有序的问题，这一成就获得了1977年诺贝尔化学奖。

在耗散结构理论中，普里高津着重阐述了以下基本观点：

1.开放系统是产生耗散结构的必要前提

普里高津（1917—2003）

开放系统不仅是耗散结构形式前提，同时也是耗散结构得以维持和存在的基础。耗散结构实质是远离平衡态的非线性系统，通过与外界不断交换物质、能量、信息来维持的一种动态有序结构。为保持这种结构，交换一刻也不能停止，一旦把系统孤立了起来，则系统失去了与外界进行交换的条件，这种结构也就很快瓦解。所以，要使一个系统产生和保持耗散结构，必须首先为系统创造充分的开放条件，使其成为远离平衡态的开放系统。

在开放系统中，如果要使系统向有序化发展，就要使系统的熵不增加，并使d_s=d_is+d_es<0。如图1-4所示。

2.非平衡态是有序之源

普里高津认为，开放系统是耗散结构形成的必要条件，但不是充分条件。他指出：一个开放系统并没有充分条件保证出现这种结构，耗散结构只有在系统保持“远离平衡”状态下，才有可能出现。在平衡区或近平衡区都不可能从一种有序走向另一更为高级的有序。

图1-4 系统熵变化（d_s=d_is+d_es）

耗散结构与平衡结构有本质差别，巨是截然不同的两种结构。平衡结构是一种“死”结构，或者说是一种静态稳定结构，它的存在不依赖于外界。这种结构形成后，只有将系统孤立起来，并设法使它与外界隔绝，才能保持不变。例如，只有将冰块放入保温桶内，才不致融化。耗散结构是一种“活”结构，一种动态稳定结构，是一种远离平衡态的稳定态。这种结构只有在开放和非平衡条件下才能形成，只有在系统与外界保持连续不断物质、能量、信息交换过程中才能维持，它的存在强烈依赖外部条件。耗散结构是系统一种非平衡态。正是这种非平衡，才使系统产生和具备了与外界进行物质、能量、信息交换势能和要求。

3.涨落导致有序

涨落是指系统某个变量或某种行为对平均值的偏离。涨落是偶然、随机、杂乱无章的，在不同状态下有不同作用。在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定性干扰，起消极作用。但在远离平衡态，它是系统由不稳定状态形成新稳定有序状态的杠杆，起积极和建设作用。

在系统处于远离平衡态时，随机小涨落可通过非线性相干作用和连锁效应被迅速放大，形成系统整体上“巨涨落”，从而导致系统发生突变，形成一种新的稳定有序状态。此时，涨落对耗散结构形成起一个触发和激化作用，即偶然随机涨落为耗散结构的形成提供了良好条件。如图1-5所示，结构通过涨落，规定和主导功能；而功能通过涨落，又影响和改变结构。

也就是说，耗散结构理论认为系统的发展过程完全可以经过突变，通过能量的耗散与系统内非线性动力学机制来形成和维持与平衡结构完全不同的时空有序结构。这就是耗散结构理论的精髓之所在。一个对象要想在实践中获得存在与发展，必须不断地从外界引入负熵，以抵消对象体内正熵的增加，从而确保对象不断地走向更高层次的稳定有序结构。

图1-5 系统的给构、功能和涨落之间的关系

普里高津研究涨落与进化过程时，引入非线性微分方程分支数学理论对耗散结构演化过程进行定量描述。演化过程可用多级分支图表示。图1-6中，X为系统某一特征值，如化学反应中某一成分浓度；λ为某一物理量，如控制化学反应的一个参数——温度。系统有A（平衡区）、B（b₁，b₃；b₂）、C（c₁，c₃；c₂）、D（d₁，d₃；d₂）、E（e₁，e₃；e₂）几种状态可供选择（图中虚线表示不稳定状态），究竟哪一种状态成为现实，完全依赖于涨落和控制参量的改变方式。

图1-6 演示耗散给构过程

普里高津耗散结构理论，具有普遍科学方法论性质，是科学、技术、经济、管理等领域解决一系列综合问题方法论工具。表明了以物质、能量和信息为基本要素的复杂系统可以用一种普遍适用的概念和规律来描述，如有序、涨落、失稳、分支等。耗散结构理论推进系统自组织理论发展，对系统科学的发展有重要理论意义，并为贝塔朗菲的“一般系统论”的有序结构稳定性提供了严密的理论根据。

耗散结构理论的深度优化

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