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转载的:耗散结构、耗散结构理论

2012-03-26  养生丸子
耗散结构 (dissipative structure) 关于“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一个重要新分支,是由比利时科学家伊里亚·普里戈津(I.Prigogine)于20世纪70年代提出的,由于这一成就,普里戈津获1977年诺贝尔化学奖。差不多是同一时间,西德物理学家赫尔曼·哈肯 (H.Haken)提出了从研究对象到方法都与耗散结构相似的“协同学”(Syneraetics),哈肯于1981年获美国富兰克林研究院迈克尔逊奖。现在耗散结构理论和协同学通常被并称为自组织理论。 我们首先从几个例子看一下究竟什么是耗散结构。天空中的云通常是不规则分布的,但有时蓝天和白云会形成蓝白相间的条纹,叫做天街,这是一种云的空间结构。容器装有液体,上下底分别同不同温度的热源接触,下底温度较上底高,当两板间温差超过一定阈值时,液体内部就 会形成因对流而产生的六角形花纹,这就是著名的贝纳德效应,它是流体的一种空间结构。在贝洛索夫—一萨波金斯基反应中,当用适当的催化剂和指示剂作丙二酸的溴酸氧化反应时,反应介 质的颜色会在红色和蓝色之间作周期性变换,这类现象一般称为化学振荡或化学钟,是一种时间结构。在某些条件下这类反应的反应介质还可以出现许多漂亮的花纹·,此即萨波金斯基花纹,它展示的是一种空间结构。在另外一些条件下,萨波金斯基花纹会成同心圆或螺旋状向外扩散,象波一样在介质中传播,这就是所谓化学波,这是一种时间一一空间结构。诸如此类的例子很多, 它们都属于耗散结构的范畴。 为了从各不相同的耗散结构实例中找出其本质的特征和规律,普里戈津学派研究了非平衡热力学,继承和发展了前人关于物理学中相变的理论,运用了当代非线性微分方程以及随机过程 的数学知识,揭示出耗散结构有如下几方面的基本特点。  

首先,产生耗散结构的系统都包含有大量的系统基元甚至多层次的组分。贝纳德效应中的液体包含大量分子。天空中的云包含有由水分子组成的水蒸气、液滴,水晶和空气,因而是含有多组分多层次的系统。至于贝洛索夫——萨波金斯基反应,其中不仅含有大量分子原子和离子,并且有许多化学成分。不仅如此,在产生耗散结构的系统中,基元间以及不同的组分和层次间还通常 存在着错综复杂的相互作用,其中尤为重要的是正反馈机制和非线性作用。正反馈可以看作自我 复制自我放大的机制,是“序”产生的重要因素,而非线性可以使系统在热力学分支失稳的基础 上重新稳定到耗散结构分支上。 

第二,产生耗散结构的系统必须是开放系统,必定同外界进行着物质与能量的交换。天街中的云一定会和周围的大气和云进行物质交并和外界进行能量交换。如欲维持贝洛索夫一萨 波金斯基反应中的时间、空间,时间——空间结构,则需不断地向进行反应的容器中注入所需的化学物质,这正是系统与外界的物质交换。耗散结构之所以依赖于系统开放,是因为根据热力学第二定律,一个孤立系统的熵要随时间增大直至极大值,此时对应最无序的平衡态,也就是说孤立系统绝对不会出现耗散结构。而开放系统可以使系统从外界引入足够强的负熵流来抵消系统本身的熵产生而使系统总熵减少或不变,从而使系统进入或维持相对有序的状态。  

第三,产生耗散结构的系统必须处于远离平衡的状态。为了简单说朋问题,先举一个有关平 衡状态的例子。假定暖水瓶是完全隔热的,里边放入温水,盖上瓶塞,其中的水不再受外界任何影响,最后水就进入一种各处温度均匀,没有宏观流动和翻滚且不再随时间改变的状态,叫平衡态,相应的结构称为平衡结构。根据热力学理论,在这种状态下是不可能出现任何耗散结构的。如果把瓶塞打开,用细棒搅拌瓶中的水,这时系统内发生翻滚流动,脱离平衡态。但若重新盖上瓶塞,经过足够长时间,系统又将不可避免的驰豫到新的平衡态,仍不会有耗散结构。这表明系统虽走出了平衡态,但离开平衡态不够“远”。要想使系统产生耗散结构,就必须通过外界的物质流 和能量流驱动系统使它远离平衡至一定程度,至少使其越过非平衡的线性区,即进入非线性区。 最明显的例子是贝纳德效应,若上下温差很小,不会出现六角形花纹,表明系统离开平衡态不够 远。待温差达到一定程度,即离开平衡态足够远,才发生贝纳德对流。这里强调指出,耗散结构与平衡结构有本质的区别。平衡结构是一种“死”的结构,它的存在和维持不依赖于外界、而耗散结 构是个“活”的结构,它只有在非平衡条件下依赖于外界才能形成和维持。由于它内部不断产生熵,就要不断地从外界引入负熵流,不断进行“新陈代谢”过程,一旦这种“代谢”条件被破坏,这个结构就会“窒息而死”。所有自然界的生命现象都必须用第二种结构来解释。

第四,耗散结构总是通过某种突变过程出现的,某种临界值的存在是伴随耗散结构现象的一大特征,如贝纳德对流,激光,化学振荡均是系统控制参量越过一定阈值时突然出现的。 最后,耗散结构的出现是由于远离平衡的系统内部涨落被放大而诱发的。什么是涨落呢?举个例子,密闭容器内的气体,如果不受周围环境的影响或干扰,就会像前面所说的那样达到平衡态,不难想象,这时容器内各处气体的密度是均匀的。然而由于大量气体分子作无规则热运动而 且相互碰撞,可能某瞬时容器内某处的密度略微偏大,另一瞬时又略微偏小,即密度在其平均值 上下波动。这种现象就叫涨落。如果仅限于讨论处于平衡态气体内部的涨落,意义并不十分大。 虽然无规则运动和碰撞的存在将不时产生相对于平衡的偏差。但由于同样的原因这种偏差又不断地平息下去,从而平衡得以维持。在远离平衡时,意义就完全不同了,微小的涨落就能不断被 放大使系统离开热力学分支而进入新的更有序的耗散结构分支。涨落之所以能发挥这么大的作 用是因为热力学分支的失稳已为这一切准备好了必要的条件,涨落对系统演变所起的是一种触 发作用。  

综述以上各点概括起来说,所谓耗散结构就是包含多基元多组分多层次的开放系统处于远 离平衡态时在涨落的触发下从无序突变为有序而形成的一种时间,空间或时间——空间结构。 耗散结构理论的提出对当代哲学思想产生了深远的影响,该理论引起了哲学家们的广泛注 意。在耗散结构理论创立前,世界被一分为二:其一是物理世界,这个世界是简单的、被动的、僵死的,不变的可逆的和决定论的量的世界;另一个世界是生物界和人类社会,这个世界是复杂的、 主动的、活跃的、进化的,不可逆和非决定论的质的世界。物理世界和生命世界之间存在着巨大的差异和不可逾越的鸿沟,它们是完全分离的,从而伴随而来的是两种科学,两种文化的对立。而 耗散结构理论则在把两者重新统一起来的过程中起着重要的作用。耗散结构理论极大地丰富了 哲学思想,在可逆与不可逆,对称与非对称,平衡与非平衡,有序与无序、稳定与不稳定,简单与复杂,局部与整体,决定论和非决定论等诸多哲学范畴都有其独特的贡献。 耗散结构理论可以应用于研究许多实际现象。上面所谈的“天街、贝纳德效应以及贝洛索夫 ——萨波金斯基反应分别属于物理和化学范畴,值得提到的是在生命现象中也包含有多层次多组分,例如从种群、个体、器官、组织、细胞以及于生物分子,各层次间以及同一层次的各种组分间存在着更为复杂的相互作用。生命系统需要新陈代谢,因而必定是开放系统。再者生命系统必然是远离平衡的。因此生命系统成为耗散结构理论应用的对象是十分自然的。这方面目前取得较多 进展的有动物体内释放能量的生化反应糖酵解的时间振荡,还有关于肿瘤免疫监视的问题以及 一些生态学中的问题。 

从广义讲,人类社会也是远离平衡的开放系统。因此,像都市的形成发展, 城镇交通,航海捕鱼,教育经济问题等社会经济问题也可作为耗散结构理论应用的领域。 耗散结构理论自提出以来,一直在理论和实际应用两个方面同时拓展,今后的发展也可望顺 着这个路子往下走。因为并非一切远离平衡的复杂性开放系统的行为都可以归纳为耗散结构,所 以,作为更高层次的一般研究复杂系统的系统科学的一个分支理论,面对纷繁复杂的实际世界, 其未来充满挑战,也面对机会,可谓任重道远。  

参考书目 沈小峰、胡岗、姜璐:《耗散结构论》,上海人民出版社,上海,1987。 I.普里戈金,G·尼科里斯:《非平衡系统的自组织》,科学出版社,北京,1986。

耗散结构理论 一种关于非平衡系统的自组织理论。这一理论的创始人是比利时布鲁塞尔自由大学的普利高津。1969年,他在论文《结构、耗散和生命》中正式提出了耗散结构概念。在研究中,他将热力学和统计物理学从平衡态向近平衡态再向远离平衡态推进,他发现一个开放系统(无论是力学系统、物理系统、化学系统、生物系统、经济系统还是社会系统)在到达远离平衡态的非线性区域时,一旦系统中的某个参量变化达到一定的阈值,系统就有可能发生突变,即非平衡相变,由原来无序的混乱状态转变到一种时间、空间或功能上有序的新的状态。
这种有序状态需要不断地与外界交换物质和能量才能维持,并保持一定的稳定性,且不因外界微小的扰动而消失。由于这种在远离平衡的非线性区域形成的新的稳定的有序结构需要耗散能量维持自身,所以被称之为耗散结构。耗散结构理论之所以又称非平衡系统的自组织理论,是因为这种结构在一定的外界条件下会出现自组织现象,即自行产生组织性和相干性。这种理论在物理学、化学、生物学、生态学、经济学、社会学等领域中得到了广泛应用,它可以研究不同系统从无序向有序转化的共同规律。
耗散结构的概念是比照平衡结构建立起来的。二者的区别在于,平衡结构是一种“死”的结构,维持自身所需要的不是能量或物质的交换,而是不与外界发生任何联系或作用。晶体就是典型的平衡结构。一旦与外界发生了能量或物质交换,平衡结构就面临着解体。
耗散结构是一种“活”的结构,它需要与外界不断地进行物质和能量交换,进行新陈代谢,吐故纳新才能维持其自身的有序状态。否则耗散结构的末日就要到了。自然界存在着大量的形形色色的耗散结构,生物是最典型的耗散结构:新陈代谢的停止意味着生命的结束。以普利高津为代表的布鲁塞尔学派对耗散结构形成的机理、条件等进行了深入的研究,为了描述系统从无序向有序的转变,他们建立了一套理论框架和数学模型。该理论认为,形成耗散结构至少要具备四个条件:(1)系统必须是一个开放系统;(2)系统要远离平衡态;(3)系统内部各要素之间存在非线性的相互作用;(4)系统从无序向有序的演化是通过随机的涨落来实现的。根据普利高津的理论,非平衡是有序之源,而涨落在远离平衡时非但不导致混乱,反倒是有序的保障。耗散结构理论仍在发展之中,它在人类知识的各个部门都有应用的前景,它所涉及到的时间问题和复杂性问题等等,在哲学上和科学上都有着广泛而深刻的意义。

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