耗散结构理论的基本内容和特征

“耗散”，原是一个物理学概念。在摩擦生热过程中利用效率较高的机械能转变成利用效率较低的热能，这在物理学中就叫能量耗散。而“耗散结构”一词，是比利时布鲁塞尔学派的领导人普里高津在1969年的一次“理论物理与生物学”的国际会议上正式提出来的概念。所谓耗散结构，“就是在开放的、远离平衡的条件下，系统通过与外界交换物质与能量，通过能量的耗散和内部非线性动力学机制所形成和维持的时空有序结构”（中国人民大学复印报刊资料《自然辩证法》卷，1985年第8期，第112页）。

普利高津是从研究热力学第二定律入手，着重探讨了远离平衡态系统的不可逆过程。热力学理论指出：一切物质系统可以归纳为三种：一种是与外界有物质和能量交换的开放系统；另一种是与外界没有物质和能量交换的孤立系统；还有一种是与外界只有能量交换但无物质交换的封闭系统。人们对系统的复杂变化从整体进行研究，建立了熵（S）这个概念。熵是热力学中的一个基本的概念。它是一个状态函数。它是表示物质系统状态的物理量。熵的宏观意义在于，它表征着系统能量分布的均匀程度。ds＜0，表示随着时间的推移，系统能量分布不均匀，有能量差存在，必然出现整体运动。反之，若系统的熵愈增大，即ds＞0时，系统的能量分布就愈均匀；系统的熵值最大时，这时正对应着系统出现平衡状态。熵的微观意义在于，它表征着系统内部粒子的混乱程度或无序程度。熵愈大，即ds＞0时，系统内部愈混乱无序；反之，熵愈小，ds＜0，即负熵时，系统内部的运动愈趋向有序。热力学第二定律表明：在孤立系统内自发发生的过程，总是使整个系统熵的数值趋向增加。因此，它又称熵增原理。即是说，一个孤立系统的能量总是自发地从高温物体传向低温物体，趋向于热的平衡状态，而且是不可逆的过程，即自发地由有序趋向无序状态的过程。

耗散结构理论和热力学理论是有着极为密切的关系的。耗散结构理论乃是主要讨论一个系统从混沌无序状态向有序状态转化的机理、条件和规律的学说。这一理论的本质就是关于耗散结构产生的理论。因此，它又称系统的自组织理论。关于这个理论，普利高津认为，一个开放系统的熵变化（ds的变化）分为两部分，一部分是系统本身的“熵产生”dis；另一部分是系统与外界交换物质和能量引起的熵流des。样，ds=des+dis。其中dis永远大于零，des可以大于零或小于零。如果当负熵流的绝对值大于dis时，系统的总熵ds的变化可以小于零，随着时间的推移，系统可以从无序转化为有序。

系统从无序转化成有序，形成耗散结构是怎样进行的呢？产生耗散结构需要那些必备条件呢？普利高津认为，它必须具备下列四个基本条件：第一，系统必须是一个开放系统。因为只有开放系统，才能通过与外界交换物质和能量，从外界引入负熵流来抵销自身的熵增加，使系统的总熵逐渐减少，才有可能从无序走向有序。第二，系统必须处于远离平衡态。这是因为只有远离平衡态的开放系统，才有可能通过从外界取得负熵流的办法来抵偿系统本身内部的熵产生，使系统总的熵的变化趋向负值，这样才能使系统由无序趋向新的有序状态并形成新的稳定有序结构。正是从这个意义上，普里高津提出了“非平衡是有序之源”的著名论断。第三，系统内部各个要素之间必须发生非线性的相互作用。因为只有通过非线性相互作用，才能使各个要素（子系统）之间产生协同作用和相干效应，才能使系统从无序变为有序。否则，即使有负熵流的流入，也不可能使系统向有序转化，第四，通过涨落导致有序。所谓涨落，是指系统中某变量的行为对平均值发生的偏离，它使系统离开原来的状态或轨道。系统处于不同状态时，涨落起着迥然不同的作用。当系统处于稳定状态时，涨落可引起系统运动轨道的混乱，使系统导致无序。当系统处于不稳定的临界状态，涨落则可能不仅不衰减，反而会放大成为“巨涨落”，使系统从不稳定状态跃进到一个新的有序状态。普里高津指出“在耗散结构里，在不稳定之后出现的宏观有序是由增涨最快的涨落决定的”（沈小峰《耗散结构理论与社会生活》，1985年10月9日《光明日报》）。因此，涨落是形成耗散结构的又一个必要的条件。

耗散结构是相对平衡结构而言的。耗散结构不同于平衡结构的基本特点就在于：其一，耗散结构的有序性与平衡结构的有序性在空间尺度范围上不同，平衡态系统的稳定有序结构是与原子处于同一数量级。而耗散结构中的有序，其尺度是宏观的数量级，是可以用厘米、米去度量的。其二，两种结构续续存在和维持的条件不同。在平衡态结构中，其稳定有序一旦形成，它不需要外界供给它物质和能量，可以在孤立的环境中自发地维持。而耗散结构却必须在开放的环境中，不断地与外界进行物质和能量交换，不断地新陈代谢、吐故纳新，才能维持它的稳定和有序性。这就是耗散结构不同于平衡结构的基本特征。