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超循环理论
——自组织演化的形式
艾根 德国化学家
循环是一种普遍的客观现象。由A和P组 成的系统，A P，宏观地看，系统内部
各要素之间的线性或非线性相互作用就
成了循环组织形式。平衡循环是
若deS<0，即负熵流，且|deS|> diS 则 dS 为负值，即系统的熵减少，有
序程度提高。
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正反馈、负反馈
CH3COOCH3+H2O = CH3COOH+ CH3OH
正反馈
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耗散结构理论在方法上的创新与突破:
1、揭示了由无序转化为有序的机制。
2、揭示了自然界中进化与退化的辩证关
系。
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熵 有序 无序
克劳修斯热力学第二定律表明孤立系统的熵 自发地增加到最大值。
熵是系统无序程度的表征。 对于开放系统，有 dS=diS + deS
diS为系统熵增， diS > 0； deS为熵流， deS 0 或 deS < 0 若deS<0，即负熵流，且|deS|> diS 则 dS 为负值，即系统的熵减少，有序程度 提高。
混沌理论是20世纪60年代开始发展起来的。 主要创始人洛仑兹(E.N.Lorenz）。
混沌（chaos）的涵义：混沌是一种确定的 系统中出现的无规则运动。
一个过程看起来是随机发生的而实际上其行 为却由精确的法则决定。包含着丰富的产生 有序能力的系统处于最无序状态。
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倍周期分岔
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柯赫曲线
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自然界中存在的两对矛盾
一、牛顿力学与热力学第二定律之间的矛盾
牛顿力学是“关于存在的物理学”，热力学 第二定律是“关于过程的物理学”
dS=dQ/T 表示系统混乱度、无序程度的物 理量
克劳修斯 玻耳兹曼 二、热力学第二定律与达尔文生物进化论之 间的矛盾
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可逆与不可逆：
一个系统经过某一演化过程，从某种 初始状态达到另一状态，如果存在着另一 过程，使该系统与外部环境完全回到原来 的初始状态，则原来的过程称为可逆过程， 或称该过程可逆。
进化与退化是相互转化、相互包含、
相互制约的。
3、丰富了对可逆与不可逆过程的辩证关
系的认识。
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作为自组织的耗散系统的生命 生命系统是一种具有耗散结构而远离
平衡态的开放系统，它必须不断地从外界 获得食物或依靠外界的能量而自行制造食 物，并把“废物”和“废热”排到环境中 去，使自身的有序程度提高。新陈代谢中 的本质的东西，就是使有机体成功地消除 了当它自身活着的时候不得不产生的全部 的熵。
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分形 自相似 分维
丢勒图形
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蝴蝶效应
在巴西的蝴蝶拍打翅膀会引发得克萨斯 州的一场龙卷风吗？
混沌态是指具有确定演化规律却无法预 测其演化结果的系统。
混沌态的动力学方程对初始条件极其敏 感，微小扰动会导致定性不同的结果。
由于大气环流是一个混沌系统，因此长 期天气预报是不可能的。
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用耗散结构理论解释前生物进化
阈值 涨落引起不稳定性，形成新的耗散结构
熵产生增加
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协同学
1969年 德国物理学家 哈肯 协同学综合地考察了自组织发展的
各种内部因素的作用，发现了系统 内部大量子系统的竞争、合作产生 的协同效应，以及由此带来的序参 量支配过程，是系统自组织的动力。
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进化与退化
进化一般是指系统演化由无序到有序、 由低序到高序的趋势和过程。
退化一般是指系统演化由有序到无序、 由高序到低序的趋势和过程。
热力学第二定律反映了孤立系统的退 化，并由此得出“宇宙热寂”的结论。 进化论揭示了生物由低级向高级进化的 过程。因此，热力学与进化论存在着矛 盾。
现代宇宙论描述的也. 是一个进化过程。 8
如果不存在使该系统与外部环境完全 复原的过程，则原来的过程称为不可逆过 程，或称该过程不可逆。
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不可逆与时间之箭：

可逆意味着时间流逝没有实质的 物理意义，意味着演化不存在。
在现实的自然物质系统中，不存 在严格的可逆过程。热传导、化学 反应、分子扩散、物种进化都是不 可逆过程。
不可逆使演化成为可能，不可逆 演化的方向就是时间箭头。
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耗散结构理论的形成：
1969年普利高津 （ Ilya Prigogine） 在“理论物理与生物学”国际会议上首 次提出。
普利高津考察了贝纳德效应：
贝纳德蛋卷
tc
硅黄
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贝纳德花纹
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“B—Z”反应 1950年，前苏联化学家贝洛索夫(Belowsov) 做了一个振荡化学实验。 1960年，扎鲍廷斯基(Zhabotinski)继续了 这一实验。
1、竞争与协同 竞争,是系统间或系统内各要素或各子系统间 相互争胜，力图取得支配和主导地位的活动 与过程。 协同，系统中许多子系统的联合作用。各个 要素之间，或各个子系统之间在演化过程中 存在着联接、合作、协调与同步行为。 2、序参量与支配过程
快变量 慢变量 序参量
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混沌理论 ——自组织演化的复杂性
第六讲 自然界的演化规律
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自组织
所谓的自组织是指，其特定的结构和功 能的形成不是按照某种指令来完成的， 而是由于系统内部各要素彼此之间具有 协调、相干或自发的默契行为，那么这 种形成特定结构与功能的过程就叫做自 组织。
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自组织理论
自组织理论包括耗散结构理论、协同 学、混沌理论、超循环理论等。这些理 论尽管研究的具体对象和依据的理论背 景各不相同，但是它们共同主题就是力 图揭示自然物质系统演化过程中普遍存 在有序状态和无序状态相互转化的机制 和条件。
耗散结构理论
比利时物理学家 普利高津
一个远离平衡态的开放系统，可以不 断地与外界交换物质、能量和信息，在 外界条件达到一定的阈值时，从原有的 混沌无序状态进化成时间、空间有序状 态。所谓的“耗散结构”，就是指这种 在远离平衡条件下所形成的新的有序结 构。研究耗散结构的理论就叫耗散结构 理论。
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形成耗散结构的条件：
（1）开放系统，有负熵流入； （2）远离平衡态； （3）系统各要素之间存在非线性相
互作用； （4）随机涨落； （5）涨落被正反馈放大。
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对于开放系统，有 dS=diS + deS diS为系统熵增， diS > 0； deS为熵流， deS 0 或 deS < 0