耗散结构理论简述
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发布时间：2022-04-27 07:48
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时间：2022-06-28 17:28
比利时物理化学家伊里亚·普里高津（Ilya Prigogine）教授于20世纪60年代末创立了耗散结构（Dissipative Structure）理论。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年诺贝尔奖。耗散结构理论于1969年由普里高津在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。1971 年，普里高津等人写成著作《结构、稳定和涨落的热力学理论》，比较详细地阐明了耗散结构的热力学理论。1971～1977年耗散结构理论的研究有了进一步的发展，包括用非线性数学对分岔的讨论，从随机过程的角度说明涨落和耗散结构的联系。1977年普里高津等人所著《非平衡系统中的自组织》一书就是这些成果的总结。之后，耗散结构理论研究又有了新的发展，主要是用非平衡统计方法，考察耗散结构形成的过程和机制，讨论非线性系统的特性和规律，以及耗散结构理论在社会经济系统等方面的应用。这一理论极大地开阔了人类的视野，极大地丰富了人类的科学和哲学思想，提供了新的科学研究途径和方法，从而成为进一步认识和改造世界的指南和动力。
何谓耗散结构？可从4个方面来理解：①它是一种自然现象，广泛存在于自然界和人类社会中，如物理学中的激光、化学中的自催化反应以及人体、生物、城市、社会等等；②它是一种稳定的时空有序结构，由原来的无序结构，靠外界不断供应能量或物质，通过量变引起质的突变而形成；③它是相对于平衡结构而言的，平衡结构是指系统在平衡状态下的稳定有序结构，是一种静结构，具有可逆性，耗散结构是指系统在耗散状态下的稳定有序结构，是一种动结构，具有不可逆性；④它出现在开放系统的远离平衡态。一个开放系统具有热力学平衡态、*衡态、远离平衡态三种存在方式。
耗散结构理论主要研究远离平衡的开放系统，不论它是力学的、物理化学的、生物学的还是软科学的系统，只要该系统之环境不断与其交换物质或能量（实质上是交换负熵）并且达到一定程度（超过某一临界点），那么原来较为混乱无序的状态会在几乎同一时间内突变地过渡到有组织的状态。这是一种在时间上、空间上或功能上都是有序的状态，由于这种序结构均以消耗来自环境的“负熵”为其主要特征，因而统称为“耗散结构”。虽然在不同领域定义了不同的熵，因而耗散结构具备了不同的形式或不同的物质外壳，但这类结构在形成、演变以及失稳等方面有许多共同规律，而研究这些耗散结构的一般规律的科学即构成了新的横向学科——耗散结构理论。
耗散结构理论用以研究系统在远离平衡的条件下，由于其内部的非线性相互作用，发生从无序热力学分支向耗散结构分支转化，形成一种稳定的有序结构。该理论强调当一个系统接*衡时原有的结构就会趋于消亡，只有当系统远离平衡时才能产生新的有序结构。一个远离平衡的开放物理化学系统（力学的、物理的、化学的、生物的等）具有发生自组织过程的能力。这样的一种系统通过不断地与外界交换物质和能量，就有可能从原有的混乱无序状态，转变成为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。耗散结构定义为：在远离平衡的条件下，当外界条件达到某一阈值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界交换能量和物质，会自动出现一种自组织现象，组成系统的各子系统会产生一种互相协调的作用，借助于外界的能流和物质流而维持一种空间或时间的有序结构。这种结构是由于进行不可逆过程时系统发生能量耗散所致，地质地球化学过程，如构造活动、岩浆侵入、成矿作用或矿化富集等，均为不可逆过程，耗散结构可给予这些过程新的分析理论和研究方法。
从大量客观事实看，在自然界、科学实验与社会经济现象中，可以区分出两类稳定化的宏观有序系统结构，即平衡状态下稳定化的有序结构（平衡结构）和耗散状态下稳定化的有序结构（耗散结构）。平衡结构的平衡是从热力学角度讲的，如在与外界没有物质交换的条件下，宏观系统的各部分在长时间内不发生任何变化，例如晶体和液体这样一种稳定化的有序结构，是较典型的平衡态下的稳定化结构。耗散结构是指当系统处于非平衡状态时，通过与外界进行能量和物质交换而形成且维持的一种稳定化的宏观系统结构，即在非平衡态下宏观系统的自组织现象，例如地质现象中伟晶岩的分带；矿床、元素分带；化学反应（化学振荡）中的有序结构；生物呈现的有序性以及社会现象中的有序性等，都可视为非平衡状态下耗散结构的例子。总之，平衡结构是“死”的、静态的有序结构，而耗散结构是“活”的、动态的有序结构。
