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耗散理论

2007-02-09  Gemmy
耗散理论
[ 作者:杨志焕    点击数:4192    发表时间:2004-1-4 ]

耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。

    耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流的维持下,通过自组织形成的一种新的有序结构。“耗散”一词起源于拉丁文,原意为消散,在这里强调与外界有能量和物质交流这一特性。

    例如,从下方加热的液体,当上下液面的温度差超过某一特定的阈值时,液体中便出现一种规则的对流格子,它对应着一种很高程度的分子组织,这种被称为贝纳尔 流图像,就是液体中的一种耗散结构。又如,化学反应中的别洛索夫—扎博京斯基反应,某些反应物浓度随时间和空间呈周期性的变化,这种化学振荡和空间图像, 就是化学反应中的一种耗散结构。

    耗散结构是比利时布鲁塞尔学派著名的统计物理学家普里戈金,于1969年在理论物理和生物学国际会议上提出的一个概念。这是普里戈金学派20多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的成果。

    1971年普里戈金等人写成著作《结构、稳定和涨落的热力学理论》,比较详细地阐明了耗散结构的热力学理论,并将它应用到流体力学。化学和生物学等方面,引起了人们的重视。

    1971~1977年耗散结构理论的研究有了进一步的发展。这包括用非线性数学对分岔的讨论,从随机过程的角度说明涨落和耗散结构的联系,以及耗散结构在化学和生物学等方面的应用。1977年普里戈金等人所著《非平衡系统中的自组织》一书就是这些成果的总结。

    之后,耗散结构理论的研究又有了新的发展,主要是用非平衡统计方法,考察耗散结构形成的过程和机制,讨论非线性系统的特性和规律,以及耗散结构理论在社会经济系统等方面的应用等。

    耗散结构理论把复杂系统的自组织问题当作一个新方向来研究。在复杂系统的自组织问题上,人们发现有序程度的增加随着所研究对象的进化过程而变得复杂起来, 会产生各种变异。针对进化过程时间方向不可逆问题,借助于热力学和统计物理学用耗散结构理论研究一般复杂系统,提出非平衡是有序的起源,并以此作为基本出 发点,在决定性和随机性两方面建立了相应的理论。

    在决定性理论方面,以化学反应系统为例,耗散结构理论是在等温、等压、稳定的边界条件和局域平衡四个假定下,考察复杂的开放系统,根据系统服从的统计力学规律建立相应的方程。

    用微分方程的稳定性理论已经证明:复杂的开放系统在平衡态附近的非平衡区域不可能形成新的有序结构,在这个区域内系统的基本特征是趋向平衡态。在远离平衡 态的非平衡区域,系统可以形成新的有序结构,即耗散结构。这种耗散结构只能通过连续的能量流或物质流来维持,它是在热力学不稳定性上的一种新型组织,具有 时间和空间的相干特性。这是一种与平衡条件下出现的平衡结构完全不同的结构。

    在随机性理论方面,耗散结构理论运用数学中的概率论和随机过程论分析复杂系统,考察系统内的涨落,认为耗散结构形成的机制是由于系统内涨落的放大。系统在 某个特定的阈值以下,涨落引起的效应由于平均而减弱和消失,因而不能形成新的有序结构。只是在达到阈值以后,涨落被放大才产生宏观效应,因而出现新的有序 结构。这实质上对应于一个宏观量级的涨落,并且由于和外界交换能量或物质而得到稳定。

    耗散结构理论比较成功地解释了复杂系统在远离平衡态时出现耗散结构这一自然现象,并得到广泛的应用。它已在解释和分析流体、激光器、电子回路、化学反应、 生命体等复杂系统中出现的耗散结构方面获得了很多有意义的结果,并且正在用耗散结构理论研究一些新的现象。诸如核反应过程,生态系统中的人口分布,环境保 护,交通运输和城市发展等,都可当作远离平衡态的复杂系统来研究。这方面的工作也取得了一定的进展。

    耗散结构的研究揭示了一种重要的自然现象,并对复杂系统的研究提出了新的方向。在数学上描述复杂系统的方程通常是非线性的,一般包括分岔现象。耗散结构实质上对应于系统方程在远离平衡区的一个分岔解。因此,耗散结构的研究必然促进分岔理论的发展。

    耗散结构的产生是一种突变现象,研究这类现象有助于丰富突变论的内容。在随机理论方面,耗散结构的研究会促进随机过程论、随机微分方程理论和随机偏微分方程理论的研究和发展。

    在物理学方面,耗散结构的概念扩大和加深了物理学中的有序概念。对不同物理体系中各种耗散结构的研究,丰富了热力学和统计物理学中关于相变的研究内容,开辟了新的研究领域,为物理学研究这些非平衡非线性问题提供了新概念和新方法。

    在化学和生物学方面,化学反应系统和生物学系统中耗散结构的研究,为生命体的生长发育和生物进化过程提供了新的解释,提供了新的概念和方法。在系统科学方面,耗散结构理论利用数学和物理学的概念和方法研究复杂系统的自组织问题,成为系统学的一个重要组成部分。

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