耗散结构haosan jiegou

一定条件下，远离平衡的开放系统经过突变而自发产生的各种时空有序结构。这一概念，是由比利时布鲁塞尔自由大学I.普利高津(Prigogine)教授首先提出来的。他和他的同事们经过几十年的研究，终于发现一个开放系统在到达远离平衡态的非线性区时，随着控制参量的变化，系统有可能发生突变，由原来无序的混乱状态转变到一种新的有序状态，即耗散结构状态。从热力学的角度讲，一个开放系统的熵的变化由两部分组成，一部分是由于同外界有能量和物质交换而引起的熵流des，另一部分是由系统内部的热传导、扩散、化学反应等不可逆过程引起的熵产生dis。系统总的熵变化为ds=des+dis，其中dis总是大于0的，但可以想见，若d_es<0，则可使整个系统的熵减少，也就是可以使系统出现有序的结构。因为熵反映了系统的混乱程度，熵越高，系统越无序，而低熵态则对应着系统的有序态。以上仅仅是系统出现有序结构的可能性，普利高津证明，仅仅偏离平衡态一点点的近平衡区域，由于系统内部的相互作用是线性的，系统不可能发生突变而过渡到新的定态，只有当负熵流足够的强，使系统位于远离平衡的非线性区时，系统才有可能突变到耗散结构状态。至此我们可以总结出形成耗散结构所必需的几个条件：❶系统必须是一个开放系统。由前面的讨论可以看出，系统只有存在着负熵流des，也就是同外界有物质、能量交换时才有可能出现一个有序的结构。实际上，耗散结构也只有通过与外界交换物质和能量才能维持，它是一种“活”的结构，新陈代谢，吐故纳新是它生存的条件。
❷系统应当远离平衡态。此时，它才有发生突变的可能，根据最小熵产生原理，在近平衡区不会出现耗散结构。
❸系统内部各个要素之间存在非线性的相互作用。非线性机制是系统内部各个子系统之间产生相干效应和协同动作的原因。
❹系统从无序向有序演化是通过涨落来实现的。涨落是系统从无序向有序突变的触发器，假如没有系统内部以及系统环境各种随机因素的扰动，耗散结构是不可能形成的。
耗散结构的形成过程可以形象地用图1所示分支图来描述。在外界各种环境因素的控制推动下，系统逐渐远离平衡态，在近平衡区域，系统的非平衡定态又称为热力学分支是稳定的。但当控制参量到达一定的阈值后，热力学分支失稳，在涨落的触发下，系统发生突变，由原来的热力学分支转变到耗散结构分支，而呈现出一个新的具有一定功能和组织的结构。随着控制参量的进一步变化，超过新的阈值后，还会发生二级分支和高级分支现象，此时，系统可以呈现复杂的时空行为，见图2。正是这种连续不断的分支行为，才使我们的地球从混沌初开时的无序状态，演化到现在这样一个具有各个层次、多种多样复杂结构的世界。

图1

图2

耗散结构

物质系统在自组织条件下产生和维持的有序结构。是普利高津耗散结构理论中的一个重要概念。在开放和远离平衡的条件下，通过系统内部的能量耗散过程和非线性动力学机制，无序的非平衡稳定态可能失去稳定性，某些临界涨落可能被放大，并使诸子系统采取合作行动，从而导致系统达到和维持一种新的有序状态或结构。如贝纳花纹的形成、化学振荡的形成。生物机体是典型的耗散结构，不断与外界发生物质能量的代谢，体内有高品质的有机物质和能量向低品质的物质和能量的转化，存在大量的自催化的酶促反应等非线性反馈机制，这些过程和作用对生物机体的维持起一种积极作用。在物理、化学、生物、社会系统中是普遍存在的。