| 词条 | 耗散结构论 |
| 释义 | § 一、耗散结构论的产生 19世纪存在着两种对立的发展观。一种是以热力学第二定律为依据推演出的退化观念体系，它认为，由于能量的耗散，世界万物趋于衰弱，宇宙趋于“热寂”，结构趋于消亡，无序度趋于极大值，整个世界随着时间的进程而走向死亡；另一种是以达尔文的进化论为基础的进化观念体系，它指出，社会进化的结果是种类不断分化、演变而增多，结构不断复杂而有序，功能不断进化而强化，整个自然界和人类社会都是向着更为高级、更为有序的组织结构发展。显然，物理学与生物学、社会学中的这两种观点至少表面上在发展观上是根本对立的。难道生命系统与非生命系统之间真的有着完全不同的运动规律吗？为此，物理学家普利戈金创立了“耗散结构论”，他认为，无论是生命物质还是非生命物质，应该遵循同样的自然规律，生命的过程必然遵循某种复杂的物理定律。 自组织现象是指自然界中自发形成的宏观有序现象。在自然界中这种现象是大量存在的，理论研究较多的典型实例如：贝纳德(Bé nard)流体的对流花纹，贝洛索夫－扎鲍廷斯基(Belousov-Zhabotinsky)化学振荡花纹与化学波，激光器中的自激振荡等。自组织理论除耗散结构理论外，还包括协同学、超循环理论等，它们力图沟通物理学与生物学甚至社会科学，对时间本质问题等的研究有突破性进展，在相当程度上说明了生物及社会领域的有序现象。 耗散结构是自组织现象中的重要部分，它是在开放的远离平衡条件下，在与外界交换物质和能量的过程中，通过能量耗散和内部非线性动力学机制的作用，经过突变而形成并持久稳定的宏观有序结构。 耗散结构理论的创始人是伊里亚·普里戈金(Ilya Prigogine)教授，由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献，他荣获了1977年诺贝尔化学奖。普里戈金的早期工作在化学热力学领域，1945年得出了最小熵产生原理，此原理和翁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。普里戈金以多年的努力，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，使他认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。以普里戈金为首的布鲁塞尔学派又经过多年的努力，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。这一理论于1969年由普里戈金在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。 耗散结构理论提出后，在自然科学和社会科学的很多领域如物理学、天文学、生物学、经济学、哲学等都产生了巨大影响。著名未来学家阿尔文·托夫勒在评价普里戈金的思想时，认为它可能代表了一次科学革命。 § 二、耗散结构论的几个基本概念 耗散结构论可概括为：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。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”(dissipative structure)。可见，要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。 (1)远离平衡态 远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀(从而系统内部没有宏观不可逆过程)的状态，它遵守热力学第一定律：dE=dQ-pdV，即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，即系统的自发运动总是向着熵增加的方向；和波尔兹曼有序性原理：pi=e-Ei/kT，即温度为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(Onsager)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。 远离平衡态是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，系统走向一个高熵产生的、宏观上有序的状态。 (2)非线性 系统产生耗散结构的内部动力学机制，正是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。 (3)开放系统 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。那么开放系统为什么会出现本质上不同于孤立系统的行为呢？其实，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。所以对于开放系统来说，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。 (4)涨落 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，系统总要回到平均值附近，这些涨落不会对宏观的实际测量产生影响，因而可以被忽略掉。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，自然地提出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，所以普里戈金提出涨落导致有序的论断，它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。 (5)突变 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。 § 三、耗散结构论的基本思想 耗散结构论把宏观系统区分为三种：①与外界既无能量交换又无物质交换的孤立系；②与外界有能量交换但无物质交换的封闭系；③与外界既有能量交换又有物质交换的开放系。它指出，孤立系统永远不可能自发地形成有序状态，其发展的趋势是“平衡无序态”；封闭系统在温度充分低时，可以形成“稳定有序的平衡结构”；开放系统在远离平衡态并存在负熵流时，可能形成“稳定有序的耗散结构”。 耗散结构是在远离平衡区的、非线性的、开放系统中所产生的一种稳定的自组织结构，由于存在非线性的正反馈相互作用，能够使系统的各要素之间产生协调动作和相干效应，使系统从杂乱无章变为井然有序。 生物机体是一种远离平衡态的有序结构，它只有不断地进行新陈代谢才能生存和发展下去，因而是一种典型的耗散结构。人类是一种高度发达的耗散结构，具有最为复杂而精密的有序化结构和严谨协调的有序化功能。 耗散结构论认为，耗散结构的有序化过程往往需要以环境更大的无序化为代价，因此从整体上讲，由耗散结构本身与周围环境所组成的更大范围的物质系统，仍然是不断朝无序化的方向发展，仍然服从热力第二定律。由此可见，达尔文的进化论所反映的系统从无序走向有序，以及克劳修斯的热力学第二定律所反映的系统从有序走向无序，都只是宇宙演化序列中的一个环节。 § 四、耗散结构论的重大缺陷 尽管耗散结构论等现代自然科学理论在原则上拉近了物理学与生物学之间的距离，但仍然无法把它直接应用到生物学的研究之中，更无法把它顺利推广应用到社会科学之中。耗散结构论等所建立的概念体系几乎与社会科学的概念体系没有直接的联系，其研究思路也与社会科学的研究思路相距甚远，这说明耗散结构论等本身存在着重大的理论缺陷。归纳起来，耗散结构论等的缺陷主要表现在以下几个方面。 1、没能区分结构有序与能量有序。耗散结构论把耗散结构的结构有序与能量有序混为一谈，而实际上，耗散结构的有序性在本质上就是能量的有序性。 2、没能建立“负熵”与“价值”的联系。耗散结构论认为，任何耗散结构的生存与发展，需要不断地生产与消费“负熵”，社会科学则认为，人类的生存与发展需要不断地生产和消费价值。有人把负熵与价值截然割裂开来，认为“负熵与价值没有任何联系”；也有人简单而机械地把负熵与价值联系起来，认为“负熵就是价值”，显然，这两者都是非常错误的。 3、用“序参量”来度量有序化程度。协同学的创始人哈肯提出用“序参量”来描述一个系统宏观有序的程度，用“序参量”的变化值来刻画系统从有序向无序的转变情况。一般来说，耗散结构的序参量方程的求解是非常困难的，甚至是根本不可能的。因此，采用“序参量”来描述一个系统宏观有序的程度，是不现实和不科学的。 4、没能准确把握信息的本质。信息论的创始人申农认为，信息是使不肯定程度减少的量，是一种消除不确定性的东西。控制论的创始人维纳认为信息量是负熵，他还提出了信息量的计算公式。他们对信息的理解都建立在抽象意义上、结构特征上和形式逻辑上，而不是建立在本质意义上，这些信息概念与社会科学意义上的信息概念存在着巨大的差异。 此外，协同论、突变论和超循环论等现代自然科学理论都是从生物分子的结构特征、组织形式及其动力学特征等微观领域来探索耗散结构的有序化过程，而不能超越这些微观领域，进入人类社会的宏观领域，这在根本上决定了它们的发展局限性。 § 五、对耗散结构论等的改造 为了消除耗散结构论等的缺陷，使自然科学与生物学及整个社会科学衔接起来，就必须对以耗散结构论为代表的现代自然科学进行重大改造。 1、区分结构有序化与能量有序化，用“熵变能”（或有序化能量）取代“负熵”。耗散结构的有序化是指能量上的“活”有序化，而不是指结构上的“死”有序化。熵是一个状态函数，熵本身不能直接输入或输出，即“熵流”或“负熵流”是不可能单独存在的，它只能依附于一定的能量之上，或者说，熵或负熵只能以一定的能量为载体，才能进行输入或输出，即推动系统的熵函数发生变化的动力源只能是能量，而不是“负熵流”。以熵为承载物的能量称为熵变能，其中，能够推动系统的熵函数产生熵减（或负熵）的能量，就是负熵变能（或有序化能量）；能够推动系统的熵函数产生熵增（或正熵）的能量，就是正熵变能（或无序化能量）。 2、区分直接有序化能量与间接能量有序化能量，用“广义有序化能量作”取代“广义负熵”。促进耗散结构有序化的“负熵”除了直接负熵，还应该包括间接负熵，所谓“间接负熵”是指那些能够对“直接负熵”产生替代、弥补、改善和加强作用的物质特性，它可折算成一定数量的“直接负熵”，直接负熵与间接负熵统称为“广义负熵”。由于熵与负熵都是状态函数，不能直接输入或输出，因此“广义负熵”是不可能单独存在的，它只能依附于“广义负熵变能”或“广义有序化能量”，或者说，只能以一定的“广义负熵变能”或“广义有序化能量”为载体。“广义有序化能量”由直接有序化能量与间接有序化能量所组成，所谓“间接有序化能量”是指那些能够对“直接有序化能量”产生替代、弥补、改善和加强作用的非能量型物质特性，它可折算成一定数量的“直接有序化能量”。 3、区分功能有序与结构有序，用“价值率”来替代“序参量”。 “序参量”只能用来反映耗散结构的结构有序化程度，而不能用来反映功能有序化程度，耗散结构论提出采用“序参量”来描述耗散结构的有序化程度，其结果是把人们引向一个理论误区，使人们错误地把耗散结构的某些结构特征作为其有序程度的客观尺度，从而混淆“结构有序”与“功能有序”。事实上，耗散结构的有序化程度越高，其内部组织和内部要素就能够产生越强大的相干作用和协调作用，就能够产生越高的价值增长效应，因此只有事物的价值率才能客观地、准确地反映事物内部各要素之间在功能上的协调作用和相干作用，才能客观地、准确地度量耗散结构的有序化程度。 4、区分信息的功能特性与结构特性，准确把握信息的本质。信息的本质在于“消除不确定性”，由于“不确定性”实际上就是“无序性”，因此“消除不确定性”就等价于“提高有序性”或“降低无序性”，同样，信息对于对于耗散结构的作用就是提高耗散结构的功能有序性，而不是提高耗散结构的结构有序性。信息是一种特殊的价值，它并不是直接为耗散结构提供广义有序化能量，而是通过改变耗散结构对于广义有序化能量的使用效益，来服务于耗散结构。具体而言，就是提高耗散结构的价值率。信息的准确定义是：“一切能够改变事物价值率的内外因素称为信息”。 参阅“价值的哲学本质” |
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