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1、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

2、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

3、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。 1 耗散结构理论 耗散结构论是

4、近十几年来发展起来的一门研究非平衡态开放系统的结构和特征的新兴学科。它被誉为70年代科学院的“辉煌成就之一”。耗散一词，原意是指开放系统与外界进行的物质、能量、信息的交换运动。耗散结构则是指远离平衡态的开放系统，通过耗散运动形成的一种动态稳定的有序化结构，即由原来混浊无序的状态转变成一种在空间上、时间上或功能上的有序状态。耗散结构论探讨系统从无序转变为有序的条件、相干行为和机制，探讨耗散结构的形成和生长的动力学，研究怎样通过“涨落”的作用使系统有序化以及研究在什么情况下可以有效地运用耗散结构的概念和范畴。 作者： SuperRobber 2004-4-7 10:44 回复此发言 -2 回复：耗

5、散结构理论 耗散结构论的创始人是比利时物理学家普利高津（I昉rigogine 1917）教授，他是布鲁塞尔学派的首领。1969年他在国际“理论物理与生物学会议”上，发表结构、耗散和生命一文，提出了这一理论，受到各国学者的重视。普利高律由于这一重大贡献，荣获1977年诺贝尔化学奖。45 回复此发言 3 回复： 耗散结构在客观世界中是普遍存在的。物理学中的激光就是耗散结构的典型，当外界输入的激发能量较低时，原子象在一般光源中那样独立无规律的发射光子，每个光子的频率和相位不同，整个系统处于无序状态；而当外界输入的激发能量达到某一临界值时，就会突然发出单色性的方向性很强的激光光束，使整个系统成为有序状

6、态。化学反应中的振荡化学也属于时间上的耗散结构典型，在通常不起反应的无序状态下，由于涨落的触发或催化超过某一阈值，会出现方向性的反应和自组织的结构。生物和社会系统都是耗散结构。要吸收养料排出废物，不断进行新陈代谢才能生存，一个城市需要输入食品、燃料、日用品或各种原料，要输出产品和排掉废弃物，才能存在下去，保持稳定的高度组织化的有序结构。因此耗散结构论的理论和方法对于自然现象和人类社会、生态系统等等都能适用。4 回复： 人们曾把自然过程划分为熵维持不变的可逆过程和熵随时间而增长的不可逆过程。耗散结构论深入地描述了不可逆过程的机理，揭示了时间的不可逆性，把事物的复杂性和时间的不可逆性联系起来，并且

7、从广泛的意义上探讨了自由度之间相互作用的长时间行为。耗散结构论用开拓的眼光去观察不断趋向多样化的变化和趋向复杂性的演化，并力图去描述这些映象和变化过程。耗散结构论提出，假如改变现有的约束条件，使这个系统愈来愈远离平衡状态，那末，当结构稳定性的条件已不满足时，这个系统就可能向新结构发展，产生一种高度组织化的新型组织。46 回复此发言 5 回复： 耗散结构论认为，自然界的进化过程，相对应于一系列的各种动态的平衡过程，这种动态平衡状态的演化导致水平愈来愈高的复杂组织的出现，因此进化可以看做是动态平衡的发展过程。例如，某种聚合物是由许多分子组成，它有某种确定的分子组态，并且是通过某个聚合过程形成的，在

8、形成过程中发生了一个“错误”，产生了一种变异的聚合物，这时这种变异的机制也可能在系统中“繁殖”，那么最终这种新的产物是自行消亡是取代原来的聚合物，在这个问题上结构的稳定性和相干的作用起着决定作用。类似的过程如生物演化或社会中的“新事物”的出现，它们的产生和传播也属于这样的一类过程。6 回复： 耗散结构论还探讨了有序结构的“涨落”运动的机制问题。耗散结构是通过不断的涨落，而保持动态稳定的。对于平衡系统而言，涨落造成的偏离态会不断地衰减直到消失，最后回归到稳定的状态。而在远离平衡态的非线性区，涨落可能被放大，随机的小的涨落通过相干效应不断增长形成“巨涨落”，变成破坏原结构的因素和使体系改变成一个新

9、的稳定的有序状态的“触发器”。涨落也不单指浓度上或其它宏观参量的涨落，而且包括动力学方程发生变化的机制上的涨落。47 回复此发言 7 回复： 耗散结构论十分重视系统的整体性和复杂性，把事物的复杂性和时间的不可逆性联系起来。对造成愈益复杂化和层次性的一系列结构和功能进行探讨，并且了解各层次或水平之间发生转变的方式，同时把各个水平关联起来。耗散结构论提出，客观世界中存在着表现为两类行为的系统，即在某些条件下趋向无序态的行为，而在另外一些条件下趋向相干态的行为。在热力学平衡态附近，有序的破坏占优势，而在远离平衡态时，可能出现有序的创生。在这种情况下，有序的出现伴随着通常行为状态的不稳定性。8 回复：

10、 如果把耗散结构理论理解为“一个远离平衡态的非线性的开放系统（不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、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”的话，那么太阳系是否符合这个理论呢？首先，按照大爆炸理论，我们的太阳系肯定是处于一个远离平衡态， 并向着熵增加的方向发展。其次，无论是太阳系还是银河系，都一定是一个开放的系统，有物质和能量的交换，最明显的例子如宇宙中的高能粒子射线与反物质的研究。并且各星体之间相互作用的涨落都被耗散掉了。而如今所处的远离平

11、衡态，就是由于各个星体之间相互作用的涨落造成突变的结果。第100篇 耗散结构理论（8） 耗散结构论的科学与哲学意义作者：中国医药信息学会北京分会后现代理论医学专业委员会主任委员杨鸿智说明：耗散结构论的科学与哲学意义文章的作者：管晓刚（主题类号：B2/科学技术哲学）现代系统理论发端于贝塔朗菲所创立的一般系统论，他最早把系统作为一个整体对待，对系统的概念、原理、方法作了历史的、经典性的论述。从那时起，出现了各种各样的系统理论，最终形成了一个学科群，即系统科学。在系统科学发展史上，以耗散结构论的建立为标记，对系统研究的着眼点发生了根本性的转移。“早期的系统研究主要在于确立对待系统的整体的科学态度，在

12、于把握系统存在的某些最一般的属性；而耗散结构论以来的系统研究主要着眼于揭示系统演变和发展过程中所表现出的整体属性和规律，并产生了以自组织理论为标志的新的科学理论。”1普利高津及其所创立的耗散结构理论，探讨了系统从混沌到有序的演化规律，形成了一般系统理论的有序结构稳定性的严密的理论基础，具有重要的科学意义与哲学意义。普利高津曾经不无感慨地说：“我们耗费了近20年心血，即从1947年到1967年，最后终于得到了耗散结构的概念。”2普利高津也由于耗散结构理论的建立获得了1977 年诺贝尔化学奖。正如美国著名未来学家托夫勒所言，普利高津和同事们的工作“可能很好地代表下一次的科学革命，因为他们的工作不仅

13、与自然，而且甚至与社会本身开始了新的对话。”3一 科学意义耗散结构论的创立，促使我们重新考察科学的方法、目标、认识论、世界观等问题。可以说，它是改变科学本身的一个杠杆，也是科学的历史性转折的标志。（一）科学研究的切入点“重新发现时间”耗散结构论的创立缘于普利高津的独特视角，即从历史科学出发对自然科学的思考。而对时间本质的再次认识是他对系统的整体性认识的切入点。普利高津认为，虽然近代经典科学曾经激起了人与人之间一场富有成果的对话，但也造成了某些灾难性的文化后果。“两种文化”的对立在很大程度上就是起源于经典科学的没有时间的观点和大多数社会科学与人文科学中普遍存在的时间定向之间的冲突。在普利高津看来

14、，科学更新在很大程度上就是重新发现时间。在经典力学中，对任何事物运动的描述是无所谓历史的，即没有时间的优势方向，没有时间之矢，没有演化；事物过去如此，现在如此，将来依然如此。十九世纪的经典热力学，由于克劳修斯等人将熵概念引入并完善了热力学第二定律而得到发展，使人们发现孤立系统内部的分子热运动会随着时间的推移，形成走向无序的熵增加不可逆运动，因而开始重视物质运动本身客观存在着的不可逆性时间。但是，在热力学第二定律中，时间所对应的运动只是一种仅能用线性关系描述的单调量变过程，它所表征的时间内涵依然没有摆脱机械决定论的色彩，依然具有简单性。爱因斯坦虽然在狭义相对论中通过对静止参照系与运动中的参照系之

15、间的比较，指出同时性是相对的，但并未把时间与物质世界的复杂演化、发展进程联系起来，也因此无法解决热力学第二定律与生物进化论在时间箭头方向上的根本矛盾。按照传统的自然观，自然的基本过程是决定论的和可逆的，包含随机性和不可逆的过程仅被看作是一些例外。但是，“我们正越来越多地觉察到这样的事实，即在所有层次上，从基本粒子到宇宙学，随机性和不可逆性起着越来越大的作用。”3对这种不可逆过程的研究， 正是重新发现时间的关键。研究表明，在远离平衡态时，系统的热力学性质与平衡态及近平衡态有本质的不同，在这个区域可以实现从简单到复杂的演化，出现以耗散结构为特征的有序性。这就对时间观念做了重大修正。自然界不再是僵死

16、的、被动的，可逆性与决定论只适用于有限情况，不可逆性与随机性则起着根本作用，自然界必然是一个进化的自然界。科学正在重新发现时间，由此“一种动态的观点已在几乎所有的科学领域中盛行，进化的概念好象成了我们物质世界的核心。”4可见，耗散结构论以其对时间本质的再认识这一切入点的独特性，具有重要的方法论意义。（二）科学研究的本质“人与自然的同盟”在普利高津的视界中，人们对自然的发问所采取的形式是多种多样的。科学正是这样一种形式。科学不是独白，而是人与自然的对话。由于实验方法的发明，近代科学开创了人与自然的一次成功对话。但是另一方面，这次对话的首要成果却是发现了一个沉默的世界。近代科学主张主客观严格分离，

17、坚持在科学探索中排除主观的成份以追求绝对客观性，这样，人与自然的关系，不是一个整体，而是互相分离着的。研究者相对于自然来讲是一个旁观者，其任务就是不加任何偏见，公正地描述自然界中发生的一切。普利高津认为，经典自然观“试图把物质世界描述成一个我们不属于其中的分析对象，按照这种观点，世界成了一个好象是被从世界之外看到的对象。”4在这种意义上，与自然的对话把人从自然界中孤立出来，而不是使人和自然更加密切。人类发现自身是完全孤独的，就像一个吉普赛人那样生活在异国他乡的边境上，世界对他弹奏的音乐充耳不闻。普利高津说：“近代科学使它的反对者以及部分支持都感到恐惧。反对者把他看作是致命的危险，支持者从科学所

18、发现的人的孤独中看到了必须为这个新理性付出的代价。”但是普利高津认为，现代科学的发展也为我们带来“某种更加普适的信息”，这种信息关系到人与自然以及人与人之间的相互作用。经典自然观之所以主张人与自然完全分开，原因在于它主张自然过程在本质上是可逆的，自然规律具有普适性和客观性，唯此，人才能以观念、旁观者的身份去认识它。耗散结构理论表明，自然的演化是一种不可逆过程，人类对自然的认识也是在这不可逆中进行的，人类不可能脱离这个不可逆过程而去研究不可逆过程的问题。“虽然可逆过程与不可逆过程的区别是一个动力学问题而且并不涉及宇宙学的论据，生命的可能性、观察者的活动却不能从我们恰好身在其中的宇宙环境中分离出来

19、。”4 可以说，由不可逆的发现所暗示的动力学变化，使我们对玻尔的著名论断有了新的认识：在这个世界上我们既是演员又是观众。我们对世界的描述，“是一种对话，是一种通信，而这种通信所受到的约束表明我们是被嵌入在物理世界中的宏观存在物。因此，耗散结构论一个重要科学意义在于，它重建了人与自然的同盟。正如普利高津所言：“代替现在即意味着将来的观念结构，我们正步入一个世界，在这里将来是未决的，时间是一种构造：我们所有的人都可以参与其中。（三）科学研究的生长点“学说间的交锋”普利高津认为，科学自近代以来的历史的发展远不是直线式地展开的，它并非向着某个固有真理的一系列的逐渐接近，而是充满着矛盾，充满着难以预料的

20、转折点。在动力学的静态观点与势力学的进化范式之间有着明显的矛盾，这是两种根本不同的世界图像和发展演化方向。那么，究竟哪一种更符合世界的本性呢？动力学与热力学有没有统一性？这些问题的解决，必然会带来世界观的变革，产生重大认识论和方法论的影响，掀起科学思维模式革命的高潮。普利高津不无兴奋地说：“科学史中如此充满希望的机会是很少的：两个世界（动力学的世界和热力学的世界）面对面地走到一起。”牛顿科学是一种成果，是对几个世纪的实验及理论研究路线集中的综合。对热力学来说，同样也是如此。不同问题和观点的集中有利于激励科学的开化，而全局性的问题往往是鼓舞科学的源泉。他认为，几种学说的交锋，存在和演化之间的冲突

21、，提出了一个新的转折点已经来临，指出了一个新的综合是必要的。具体地讲，可逆变化属于经典科学中动力学的核心，它确定了对一个系统施加作用和控制该系统的可能性，即动力学对象可以通过其初始条件来加以控制。热力学系统则不同，它不是借助于粒子间的相互作用来预言系统的变化，而是预言当我们从外部对该系统施加一些改变时，系统将怎样做出反应。然而，热力学系统以可逆为基础只是理想表达，不符合任何实际系统。在热力学中，dSd,eS+d,iS的真正含义就是它表达了系统的真实情况，它意味着平衡态在孤立系统中是非平衡态的一个吸引中心，这与边界条件确定的变化不同，它已经包含着不可逆性运动。但是，经典热力学只关注孤立系统和封闭

22、系统，对开放系统则置之不理。而普利高津认为，开放系统更加能体现热力学的本性。对于开放的热力学系统来说，它的本质就是系统处于热运动的不可逆的过程中，即不可逆性体现了运动过程的基本特征。进而，他从熵变入手，基于经典热力学理论而扩张到非平衡态相变系统中去，阐明了熵的世界观的主要观点。从以上过程可以看出，耗散结构论的创立，是普利高津对经典的动力学和热力学批判地继承和发展的结果，它体现了动力学与热力学二者的综合。动力学与热力学的矛盾之处，正是耗散结构论的理论生长点。这也正如怀特海所言，几种学说的交锋，并不是一场灾难，而是一个好机会。（四）科学研究的重心“从存在到演化”从近代科学以存在的、被组织的眼光看待

23、自然，到以演化的、自组织的眼光看待自然，是一次重要的科学革命，它标志着科学研究重心的转移。其中，耗散结构论是这一转移的典型代表。这包括以下两个方面：一方面，从整个科学的发展历程看，普利高津冲破了关于孤立系统、封闭系统的习惯思维的束缚，从有关开放系统的研究入手，并根据热力学第二定律，讨论了自然界的发展方向问题。在19世纪，关于自然界的发展方向有两种对立的观点。克劳修斯认为，自然界的发展是从有序到无序，从复杂到简单，最后达到宇宙“热寂”的退化过程。达尔文则认为，生命从单细胞到人类的发展是从无序到有序、从简单到复杂的进化过程。从现象上看，生命世界和物理世界似乎有着完全不同的规律和发展方向，这就产生了

24、热力学和进化论的矛盾。耗散结构理论指出，一个开放系统通过与外界交换物质和能量，可以从外界吸收负熵流抵消自身的熵产生，使系统的总熵保持不变或逐步减少，实现从无序向有序的转化，从而形成并维持一个低熵的非平衡态的有序结构。这就表明，自然界中两种相反的发展方向可以在不同条件下存在于同一个总过程之中，并在这个意义上解决了进化与退化的矛盾。产生耗散结构，除了要求一个远离平衡态的系统从外界吸收负熵流以外，还需要系统内部各个要素之间存在着非线性的相互作用。这种相互作用会使系统产生协同作用和相干效应，通过随机的涨落，系统就会从无序转为有序。反之，如果系统处于平衡或近平衡态，则涨落是破坏系统有序的因素，它会使系统

25、向无序方向发展。这样，耗散结构论把物理学推进到非平衡态热力学的发展阶段，实现了知识从动力学向热力学、从热力学到生物学的过渡。另一方面，从系统科学自身发展历程看，耗散结构论的创立标志着系统科学研究重心的根本转移。早期的系统科学主要在于确立对待系统的整体的科学态度，在于把握系统存在的某些最一般的属性。比如，贝塔朗菲主要描述了开放系统的一些基本特征，维纳的着眼点则是系统中信息的转换，以及伴随这一过程而显示出的通讯和控制。普利高津则特别关心系统的演化及熵变的作用，着眼于描述系统演变和发展过程中所表现出的整体性，并形成了以自组织理论为标志的新的科学理论。由以上两个方面可知，普利高津的耗散结构理论实现了科

26、学研究重心从存在、被组织到演化、自组织的转移。总之，耗散结构理论在科学研究的切入点、本质、生长点、重心等方面给了我们许多有益的方法论启示，具有重要的科学意义。二 哲学意义耗散结构论的创立，不仅具有重要的科学方法论意义，而且具有重要的哲学世界观意义。普利高津认为，为了理解科学在总的文化中的地位，必须把科学史放到观念史的框架中去，甚至把科学与文化的演变合成一个整体来加以考察。而哲学作为观念、文化的代表，与科学必然具有密切的联系。在他看来，科学就其实质而言，是人与自然的对话；并且，“不言而喻，科学与哲学是汇合在一起的，科学发现了权威性的自然哲学的原理。”3随着科学的每一次重大进展， 我们的自然哲学观念也会发生重大变革。在科学的每个伟大时期，都引出了某种自然界的模型：对经典科学来说，这个模型是