第九章非平衡系统的自组织理论：耗散结构一、耗散结构理论的产生及发展（一）耗散结构的概念在开放和远离平衡的条件下，在与外界环境交换物质和能量的过程中，通过能量的耗散和内部的非线性动力学机制及涨落的触发和推动下形成并保持下来的宏观时空有序结构称为耗散结构。

耗散结构理论指出，一个远离平衡的开放系统（力学的、物理的、化学的、生物的、社会的、经济的系统），通过不断地与外界交换物质和能量，在外界条件的变化达到一定的阈值时，可能从原有的混沌无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。

耗散结构理论就是研究耗散结构的性质以及它的形成、稳定和演变规律的科学。

它的研究领域是物质系统的复杂性，即物质系统各层次或层次之间的非线性复杂关系。

其研究对象是开放的非平衡自组织系统。

着重考查在一定外界条件影响下的非平衡开放系统是如何通过自身的非线性相干反馈和协同作用，自发地形成宏观有序的自组织结构的。

它的建立和发展，使人们对自然界的发展有了一个比较完整的认识：在平衡态附近系统的发展行为倾向主要是趋向平衡态，并伴随着无序的增加和结构的破坏。

在远离平衡态的条件下，系统的发展过程则可能出现突变，导致新结构的形成和有序度的增加。

（二）耗散结构理论的产生耗散结构（ＤｉｓｓｉｐａｔｉｖｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）是比利时物理学家普瑞高津（Ｉ．Ｐｒｉｇｏｇｉｎｅ）于1969年在一次“理论物理与生物学”的国际会议上首先提出的一个概念。

1971年普瑞高津与格兰道夫（Ｐ．Ｇｌａｎｓｄｏｒｆｆ）合著的《结构、稳定与涨落的热力学理论》较为详细地阐述了耗散结构的概念及其热力学理论，并将之应用到流体力学、化学和生物学等方面，引起了人们的广泛重视。

1977年普瑞高津和尼科里斯（Ｇ．Ｎｉｃｏｌｉｓ）在《非平衡系统的自组织》一书中对其研究成果进行了系统的总结，推动了耗散结构理论与非线性热力学的进一步发展。

耗散结构的理论形式是以普瑞高津为首的布鲁塞尔学派二十多年来从事非平衡热力学统计物理研究结出的成果。

这一理论从产生到现在不过三十多年时间，但在各个领域的应用都取得了十分可喜的成果。

普瑞高津也由于他在科学上的这一重大成就而获得1977年度的诺贝尔化学奖。

世界是由物质构成的，运动是物质的存在形式。

自然界各种物质既有结构层次的不同又有运动形式的千变万化。

自然科学的任务是研究自然界各种物质的形态结构性质和运动规律，不断探索新现象，揭示新规律，提出新概念，建立新理论。

在现代科学发展的进程中，出现了高度分化和相互渗透基础上的高度综合整体化趋势。

一方面是学科的不断分化，随着人类对自然界的认识进入到更深的层次，自然科学也不断深入地研究各种自然事物及其运动的特殊矛盾。

这就是导致自然科学继续高度分化，使得原来的每一门学科又都分化出许许多多的分支学科。

另一方面是学科的交叉与综合。

每一门学科越是分化，对它的研究越深入，也就越来越暴露出它与原来认为和它毫无关系的其他学科之间的内在联系。

每门学科内部各分支之间，出现了共同的统一基础，使原来分散的理论和概念越来越综合，不同学科门类之间的关系愈来愈密切，各门学科之间的相互移植、交叉和渗透，彼此横向整体化，便产生了许多边缘学科、横断学科、综合学科。

耗散结构理论就是这一发展的典型代表。

耗散结构的研究对象是开放系统，而宇宙中各种系统，无论是无生命的还是有生命的系统，都是开放系统，无一不与外界环境有着密切的联系与相互作用的关系，耗散结构理论所考察和研究的非平衡、非线性、自组织和宏观合作现象是不同领域各个学科中的共同现象。

因而，这一理论应用范围之广在科学史上是少见的，它可以广泛应用于物理、化学、生物、地学、农学、医学、工程技术、经济等许多领域。

因此，这一边缘交叉的横断学科，刚一出现就引起了各领域中广大科学工作者的极大兴趣，并展示出了其广阔的应用前景。

（三）耗散结构论的发展及应用前景现代科学的研究对象已遍及自然界的各个角落、各个层次和各种现象，人们对客观世界的研究越来越深入，越来越复杂，越来越细致，难度也越来越大，也越来越逼近真实。

在微观世界，人们的研究已深入到了质子和中子内部，深入到10-15厘米以下的更深层次，对物质基本结构的认识越来越深入清晰。

在宏观世界人们的研究已扩展到200亿光年以内的宇宙空间范围，对整个宇宙的结构有了相当深刻的认识，并对宇宙的起源诞生与演化的探索也有相当的进展。

人类的认识，已由宇宙诞生200亿年后的今天追溯到宇宙诞生之初的10-44秒的时间范围。

在中观世界，人们对自然界中各种运动关系有了深入的了解，对各种复杂性的探索已逐步展开，并在许多方面取得了突破性的进展。

人们研究所涉及的范围，从空间尺度上看小到10-16厘米（电子半径上限），大到1028厘米（观察所及的宇宙），从时间延续来看短到10-23秒（共振态粒子），长达1017秒（百亿年）。

从物理运动的能量水平看（以温度来计量），其顺序是：牛顿力学（常温）→热力学（～102℃）→化学运动（～103℃）→电磁力学（～104℃）→核能（～107℃）→亚核能（～1013℃）。

由此可见，人类对物质世界的纵向认识已相当深入。

以量子力学和相对论的建立为标志的20世纪世界物理学革命，使人们从微观和宏观这两个认识方向上对自然奥秘的了解达到了前所未有的深度。

然而，人们对物质世界的横向关系的某些方面特别是层次之内、层次之间的复杂性关系和复杂运动还知之甚少，有待深入研究。

目前，物理学在探索世界奥秘的第三个方向，即量的变化导致物质运动由简单到复杂、从低级到高级的各种形态和阶段，直至生命和意识这个没有止境的发展过程的基本规律的认识上也取得了长足的进展，耗散结构论的出现为之作出了突出的贡献，并为人们在非平衡自组织有序及混沌现象、生命的诞生、运动、演化及生命复杂性的研究开拓了一条希望之路。

由于耗散结构理论揭示了物质系统变化过程中可逆与不可逆，有序与无序的矛盾及相互转化的机理和条件，同时还揭示了自然界物质系统如何从平衡到不平衡，从对称到非对称，从线性到非线性，从稳定到不稳定的演化和相反的演化，因此具有广泛的普适性，其思想方法不仅对自然科学，而且对社会科学都有着重要的参考和应用价值，同时为自然科学、生命科学和社会科学对复杂性的研究开辟了一条新通道。

二、形成耗散结构的条件（一）两种不同的系统人们在研究各种各样的系统时，发现有两类完全不同的系统，一类是与外界既没有物质交换，又没有能量交换的系统，人们称之为孤立系统。

根据热力学第二定律，这种孤立系统的内部宏观状态总是随着时间的持续趋于平衡的，到那时，系统的内部宏观状态不再随着时间发生变化。

这种现象在日常生活中是很普遍的，例如，在一个中间有隔板的容器中，把一些蓝墨水滴入其中的一边，然后抽开隔板，蓝墨水很快就向另一边扩散，最后两边浓度变成一样了。

在热力学中，把系统的内部宏观状态趋于平衡的这种现象用熵增大来描述。

它指出在孤立系统中，熵总是在不断增加的，熵的变化总是大于零的，一直到熵达到极大值。

后来，波尔兹曼指出了这种孤立系统内部宏观状态总是不断趋于平衡，熵不断增加的微观意义，即系统的熵增加实际上标志着系统内部微观分子运动的无序性的增加、有序性的减少。

在自然界中，除了这种系统以外，还存在着另一种系统，它与周围环境自由地进行物质和能量的交换，这就是开放系统。

如吞食食物的变形虫就是开放系统的一个例子。

一个工厂也可以看成是一个开放系统，它不断地输入原料和燃料，同时又输出制成的产品和废料。

这种系统与孤立系统有着明显的区别，它的内部状态随着时间的持续，无序性总是自发地减少，有序性总是自发地增加。

一个变形虫随着时间的持续，由小变大直到成熟分裂。

一个工厂随着时间的持续，它的产品数量不断增加，产品质量不断提高。

这样一类系统完全不遵守热力学第二定律，而是遵守达尔文的进化学说。

这种系统明显地表现出自组织性，所以又称自组织系统。

这样两种不同的甚至是矛盾的系统之间有没有内在联系？它们之间的关系是什么？这实际是从一个更一般的角度重提热力学第二定律与生命进化的关系问题。

普瑞高津提出的耗散结构理论就是建立在对第二定律的研究之上的。

他把宏观系统分为三种：一是孤立系统，它跟其周围的环境不产生物质和能量的交换；二是封闭系统，它只与外界交换能量；三是开放系统，它与外界交换能量和物质。

第二定律引进了熵这种新的系统状态函数，熵与外界的能量交换有联系，但它与能量相反，是不守恒的。

熵的增加是外界供应的熵和系统内部产生的熵的总和。

第二定律表明系统内部产生的熵大于或等于零。

对于孤立系统来说，外界供应的熵等于零，因此它的总熵的变化大于或等于零，等号只有在系统经过长时间而达到的平衡状态下才能实现。

（二）耗散结构概念要理解耗散结构概念，仍要从上述关于不同系统的分析出发，将上述的有些思想加以较严格的论述。

耗散结构理论首先建立了孤立系统与开放系统这两种不同系统的既区别又相联系的方程。

它指出，任何一个系统的熵的变化ｄＳ都由两部分组成，如图8.1所示。

图8.1开放系统中的熵流和熵产生ｄＳ=ｄｅＳ+ｄｉＳ（9-1）第一项ｄｅＳ是系统与外界交换物质和能量而引起的熵流，第二项ｄｉＳ是系统内部自发产生的熵。

因此任何一个系统的ｄｉＳ总是大于或等于零的（当平衡时等于0），开放系统也不例外，而ｄｅＳ则因不同的系统而有不同的情况。

（1）在孤立系统中，没有熵流，ｄｅＳ=0。

因此这个系统的ｄＳ>0（在平衡时ｄＳ=0），总是熵增加，无序度增大，从这里我们也可以看出孤立系统只是开放系统的一个特例。

（2）在开放系统中，系统的熵流ｄｅＳ不等于0时，系统并不一定就是有序性增加。

这要作具体分析，存在着三种情况：第一种情况是热力学平衡态。

在这种系统中，虽然ｄｅＳ不等于0，但它是大于0的，即：ｄｅＳ>0。

所以物质流和能量流的进入便大大增加了系统的总熵，加速了系统趋向平衡态的运动。

第二种情况是线性非平衡态，这种状态与平衡只有一点点微小的差别，ｄｅＳ≈0，这种系统即使开始存在时有一些有序结构，但最终抵抗不了系统内部自发产生的熵的破坏，从而最终趋于平衡，而不可能出现任何新的结构和组织。

第三种情况则完全不同了，这种系统远离平衡态，也就是说ｄｅＳ=0，系统不断地从环境中获取物质和能量，这些物质和能量给系统带来了负熵，结果使整个系统的有序性的增加大于无序性的增加，新的结构和新的组织就能自发地形成，这种远离平衡态的系统我们就称之为耗散结构，如生命系统、社会系统都是这种耗散结构。

普瑞高津本人曾对耗散结构有一个比较简单通俗的介绍：一个开放系统可能有三种不同的存在方式：第一种方式是热力学平衡态。

在这里经过流动已经消除了温度和浓度的差别，熵增加到一个新的较大的值，从而达到了一致。

对于孤立系统，分子处于完全无序状态，熵极大，平衡态由波尔兹曼有序原理决定。