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学习笔记（来自网络） 伊里亚·普利高津（Ilya Prigogine或译普里戈金）于1969年在国际“理论物理与生物学会议”上发表研究报告《结构、耗散和生命》，正式提出了耗散结构理论。 这是布鲁塞尔学派20多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的重大成果。普利高津和他的同事在建立“耗散结构”理论时准确地抓住了如贝纳对流、B-Z化学波和化学振荡反应以及生物学演化周期等自发出现有序结构的本质，使用“自组织”概念描述了那些自发出现或形成有序结构的过程，从而在“存在”和“演化”之间构架了一座科学的桥梁。普利高津由于这一重大贡献，荣获1977年诺贝尔化学奖。 早在1945年，普利高津证明了最小熵定理，此原理和昂萨格倒易关系一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。他又试图把最小熵产生原理延拓到远离平衡的非线性区去，但以失败告终。在研究了诸多远离平衡现象后，普里高津意识到系统在远离平衡态时其热力学性质可能与平衡态、近平衡态有重大原则差别。1960年代，他们探讨适用于不可逆过程整个范围内的一般发展判据，并发展了非线性不可逆过程热力学的稳定性理论，终于建立起一种新的关于非平衡系统自组织的理论──耗散结构理论。 普利高津指出，以牛顿力学为代表的近代科学，描述的是一个钟表式的自然界，一个轨道的、永无发展的静态世界，一个相对静止和存在绝对化的世界。在以牛顿为代表的经典物理学中，作为参数的时间t换为-t有相同的结果，时间可逆、未来和过去看来没有实质性的区别。而近代的热力学成果正如热力学第二定律指出的，一个封闭系统只会自发地熵增、走向无规无序。这揭示的是一个不断演化的、时间有方向的世界。生物进化论也告诉人们，生命世界处于不断向上发展之中，时间之矢不可逆地指向未来，形态越高，变化越快。 在普利高津看来，科学和文化是带着深刻的矛盾和难题告别19世纪而步入20世纪的，即使20世纪初建立了相对论和量子理论，问题基本上仍然没有得到解决。两类时间，前者给出的是静止的存在的世界图景，后者传递了动态的演化的世界图景。正是这两种时间箭头，前者导致了克劳修斯"热寂说"，描述了一幅宇宙自发走向死亡的退化论自然图景；后者却是一个从低级向高级、由简单到复杂直至产生人类的进化过程，达尔文进化论向我们呈现了这幅自然图景。普利高津认为，需要重新认识大自然、认识时间，从而在新的高度上把克劳修斯退化论与达尔文进化论统一起来。 普利高津的思考取向决定了耗散结构理论的物理内涵：一个远离平衡态的非线性的开放系统（泛指物理的、化学的、生物的乃至社会或经济的系统）通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变，即产生非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为"耗散结构"。 普里高津在研究了大量系统的自组织过程以后，总结归纳出了系统形成有序结构所需要的条件： 1.系统必须开放。热力学第二定律指出：孤立系统的熵不可能减少。对于一个孤立系统，无论其微观机制如何，如果从宏观上看，它可以被当成是孤立系统，最终必然要达到平衡态。耗散结构理论认为，对于孤立系统来说，熵是增加的，总过程是从有序到无序；而对于开放系统来说，由于通过与外界交换物质和能量，可以从外界获取负熵用来抵消自身熵的增加，从而使系统实现从无序到有序、从简单到复杂的演化。 2.远离平衡态。远离平衡态是系统出现有序结构的必要条件，也是对系统开放的进一步说明。开放系统在外界作用下离开平衡态，开放逐渐加大，外界对系统的影响逐渐变强，将系统逐渐从近平衡区推向远离平衡的非线性区。只有这时，才有可能形成有序结构，否则也无济于事。 3.非线性相互作用。组成系统的子系统之间存在着相互作用。一般来讲，这些相互作用是非线性的，不满足叠加原理。正因为这样，在由子系统形成系统时，会涌现出新的性质。 4.涨落。涨落是指系统的稳定状态发生偏离的现象，它实际上是存在于一切系统的固有特征。系统内部原因造成的涨落，称为内涨落；系统外部原因造成的涨落，称为外涨落。处于平衡态系统的随机涨落，称为微涨落；处于远离平衡态的非平衡态系统的随机涨落，称为巨涨落。对于远离平衡态的非平衡态系统，随机的小涨落有可能迅速放大，使系统由不稳定状态跃迁到一个新的有序状态，从而形成耗散结构。 显然，要理解耗散结构理论，关键是要弄清楚远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变等物理概念。 所谓远离平衡态，它是相对于平衡态和近平衡态而言的，指系统内可测的物理性质极不均匀的状态，这时其热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比，可能颇为不同，甚至实际上完全相反。正如耗散结构理论所指出的，系统是一个走向高熵产生的、宏观上有序的状态。远离平衡态遵守热力学第一定律：dE=dQ-pdV（系统内能的增量等于系统所吸收的热量减去系统对外所做的功）、热力学第二定律：dS/dt≧0（系统的自发运动总是向着熵增加的方向），以及波尔兹曼有序性原理：pi=e-Ei/kT（温度为T的系统中内能为Ei的子系统的比率为pi）。 近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区，它遵守昂萨格倒易关系和最小熵产生原理。前者可表述为:Lij=Lji，即只要和不可逆过程i相应的流Ji受到不可逆过程j的力Xj的影响，那么，流Ji也会通过相等的系数Lij受到力Xi的影响。后者意味着，当给定的边界条件阻止系统达到热力学平衡态(即零熵产生)时，系统就落入最小耗散(即最小熵产生)的态。 系统产生耗散结构的内部动力学机制，在于子系统间的非线性相互作用在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。 热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统绝不会出现耗散结构。开放系统之所以会出现不同于孤立系统的行为，是因为在开放的条件下，系统的熵增量dS是由系统与外界的熵交换deS和系统内的熵产生diS两部分组成的，即:dS=deS+diS 热力学第二定律只要求系统内的熵产生非负，即diS>=0，然而外界给系统注入的熵deS可为正、零或负（这要根据系统与其外界的相互作用而定），在deS<0的情况下，只要这个负熵流足够强，它就除了抵消掉系统内部的熵产生diS外，还能使系统的总熵增量dS为负，总熵S减小，从而使系统进入相对有序的状态。对于开放系统来说，系统可以通过自发的对称破缺从无序进入有序的耗散结构状态。 一个由大量子系统组成的系统，其可测的宏观量是众多子系统的统计平均效应的反映。但是，系统在每一时刻的实际测度并不都精确地处于这些平均值上，而是或多或少有些偏差，这些偏差就叫涨落。涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。 在正常情况下，由于热力学系统相对于其子系统来说非常大，这时涨落相对于平均值是很小的，即使偶尔有大的涨落也会立即耗散掉，系统总是趋向平均值附近。这些涨落不会对宏观的实际测量产生影响，可以被忽略掉。然而，在临界点(即所谓阈值)附近，情况就大不相同了，这时涨落可能不自生自灭，而是被不稳定的系统放大，最后促使系统达到新的宏观态。 当在临界点处系统内部的长程关联作用产生相干运动时，反映系统动力学机制的非线性方程具有多重解的可能性，于是很自然地出现了在不同结果之间进行选择的问题。在这里瞬间的涨落和扰动造成的偶然性将支配这种选择方式，所以普利高津提出涨落导致有序的论断，明确地说明了在非平衡系统具有了形成有序结构的宏观条件后，涨落对实现某种序所起的决定作用。 阈值即临界值对系统性质的变化有着根本的意义。在控制参数越过临界值时，原来的热力学分支失去了稳定性，同时产生了新的稳定的耗散结构分支。在这一过程中，系统从热力学混沌状态转变为有序的耗散结构状态，其间微小的涨落起到了关键的作用。这种在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫做突变。耗散结构的出现都是以这种临界点附近的突变方式实现的。 |
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