2021-10-23 17:49:19

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耗散结构理论是研究耗散结构的性质及其形成、稳定和演变规律的科学。

耗散结构理论以开放系统为研究对象,着重阐明开放系统如何从无序走向有序的过程。它指出,一个远离平衡态的开放系统通过不断地与外界交换物质和能量,在外界条件变化达到一定阈值时,可以通过内部的作用产生自组织现象,使系统从原来的无序状态自发地转变为时空上和功能上的宏观有序状态,形成新的、稳定的有序结构。这种非平衡态下的新的有序结构就是耗散结构。

基本信息

  • 中文名称

    耗散结构理论

  • 外文名称

    Dissipative structure theory

  • 研究基础

    热力学和统计物理学

  • 类别

    新兴学科

  • 适用

    解释多种自然和社会现象

  • 创始人

    伊里亚·普里戈金

折叠 编辑本段 创始人

耗散结构理论的创始人是比利时俄裔科学家伊里亚·普里戈金(Ilya Prigogine)。

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,此原理和昂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。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1977年诺贝尔化学奖

折叠 编辑本段 理论简概

耗散结构理论可概括为: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)。

折叠 编辑本段 重要概念

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、耗散结构。

折叠 远离平衡态与平衡态

远离平衡态

远离平衡态指系统内可测的物理性质极不均匀的状态。远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的,这一状态下系统的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,系统将走向一个高熵产生的、宏观上有序的状态。

近平衡态

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。

✳平衡态

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,它分别遵守

①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;

③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。

折叠 非线性作用

如果系统内子系统之间存在着并非一一对应、而是随机进行的相互作用,则可认为这些子系统间存在着非线性相互作用。

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。

折叠 开放系统

开放系统是指与外界环境存在物质、能量、信息交换的系统。例如,一座城市就是一个开放系统:不断有人外出和进入,生产的产品和原料也要川流不息地运人及运出。

根据热力学第二定律可知,孤立系统绝不会出现耗散结构。因为随着时间累积,孤立系统的熵将不断增加并达到极大值,使系统达到最无序的平衡态

而在开放的条件下,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,除了可以抵消掉系统内部的熵增量diS,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。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。

耗散结构理论认为,"开放"是所有系统向有序发展的必要条件。如一个企业只有开放才能获得发展,这种开放不仅是输出产品,输入原料,而且涉及人才、技术和管理等方面。不断引进入才和技术,不断更新设备,才能使企业充满生机和活力。

折叠 涨落

系统的实际运行状态与理论的统计反映状态是有差异的,它们之间的偏差现象称涨落。

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。

折叠 突变

在系统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。

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。

从开放系统的角度看,突变是使系统从无序混乱走向有序井然的关键。当开放系统内部某个参量的变化达到一定阈值时,它就可能从原来无序的混乱状态,转变为一种在时间上、空间上和功能上的有序状态,即耗散结构

折叠 耗散结构

耗散结构是指远离平衡态的开放系统通过不断地与外界交换物质和能量,在外界条件变化达到一定阈值(形成足够的负熵流)时,通过内部的作用(涨落、突变)产生自组织现象,使系统从原来的无序状态自发地转变为时空上和功能上的宏观有序状态,从而形成的新的、稳定的有序结构。

如一壶水放在火炉上,水温逐渐升高,但水开后水蒸气不断蒸发,壶中的水和空气就形成了一个开放系统,带走了火炉提供的热量,水温不再升高,达到了一种新的稳定状态。

折叠 编辑本段 影响

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,为医学提供了启迪和借鉴作用。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。

但也不应夸大它的作用。只有把它与系统科学方法的其他理论(系统论、信息论、控制论、协同论、超循环论、突变论等)结合起来,才能充分发挥其应有的作用。

折叠 编辑本段 对生命活动的研究及对医学的推动

耗散结构理论认同并延用了一般系统论中的开放系统思维。一般系统论源于生物学家对生命机体运行机制的深入思考,而生命活动也是耗散结构理论颇为关注的研究对象。

普利戈金本人曾对耗散结构形成的条件,作过简单通俗的说明。他写道:"生物和社会组织包含着一种新型的结构,……社会和生物的结构的一个共同特征是它们产生于开放系统,而且这种组织只有与周围环境的介质进行物质和能量的交换才能维持生命力。然而,只是一个开放系统并没有充分的条件保证实现这种结构。只有在系统保持"远离平衡"和在系统内的不同元素之间存在着"非线性"的机制的条件下,耗散结构才能实现"[1]。显然,人既有生物的属性,又有社会的属性,人的生命过程既参与生物运动,也参与社会运动,更具备形成耗散结构的条件。

折叠 耗散与生命活动

首先,生命的本质在于运动。人体是一个远离平衡的系统,它需要保持动态平衡才能存在。平衡就意味着生命的终止。兴奋和抑制、收缩和舒张平衡了,心跳也就停止了。动脉、静脉各部分血压平衡了,毛细血管有效过滤压等于零,物质交换也就没有了。细胞内液与外液中的Na+、K+的浓度是非平衡的,神经细胞膜内K+浓度为膜外30倍,膜外Na+浓度为膜内12倍,这种离子浓度非平衡,对细胞的兴奋及机能是必要的。如果离子浓度平衡,生物电就消失,细胞功能也就丧失。其次,人体又是一个包含有多子系统多层次的复杂开放系统。从横向看,包括骨胳、肌肉、神经、消化、呼吸、泌尿生殖系统等子系统。从纵向看,包括群体、个体、器官、组织、细胞、亚细胞、分子、量子等层次。此外,还有与上述要求有关又自成一体的免疫系统,等等。而且各子系统之间、各层次之间存在着复杂的联系和相互作用。人既要吃、喝、吸气,又要拉、撒、呼气,因而是一个开放系统。机体走向封闭,就会生病甚至死亡。中医所说"不通则痛"就是这个道理。再次,人体内各元素之间存在非线性机制。所谓非线性,是指引起系统处于非平衡状态的复杂过程的,主要不是逐步演变的扩散型,而是产生突变(或质变)的化学反应型。人体生理病理转化过程中,存在大量通过爆发性涨落而摆脱连续性的情况。即使是最简单的细胞中,正常的新陈代谢也要引起无数个偶合的化学反应;新陈代谢还要有特定的酶。因此,正常人体是离不开非线性机制的。最后,人体生命现象中,还大量存在时间节律和周期行为。所以,人体能够形成和保持耗散结构

生命不仅仅表现为终究要死亡,要从有序走向无序,而且在于它要努力避免很快地衰退为惰性的平衡。因此,从某种意义上说,人体时刻都处在有序-无序-有序的转化过程中。在正常生理过程,机体内部借助新陈代谢的作用,把细胞或机体中陈旧、多余的或有害的物质分解,把衰老、垂死或受伤的组织成分清理掉,释放其中的能量,使机体内部有序结构不断遭到破坏,这可以说是人体自身产生的正熵,由于正熵存在,机体由有序趋向无序。但与此同时,机体又通过合成代谢,从外界吸收物质和能量,引进负熵,建造自身结构所需要的组织成分,以替代被拆除的组织成分,产生新的更高层次的有序状态,使无序趋向有序,从而使机体保持正常的生命活动。机体这种相对稳定有序是通过自身调控机制实现的。一旦致病因素造成调控机制混乱,机体与外界进行物质、能量、信息交换发生障碍,系统内正熵增加,有序性遭到破坏,积累到一定的阈值,经涨落触发,就会从有序变为无序,这就是病态。疾病的医治实际上是通过强化输入负熵流防止输入正熵,并促进机体远离平衡以达到系统熵增为负或正熵不大的低熵有序状态,从而消除疾病,转为健康。

折叠 耗散结构理论对医学的启发和推动

耗散结构理论试图认识自组织的机制和规律,即有序和无序相互转化的机制和条件问题。"医学是认识、保持和增强人类健康,预防和治疗疾病,促使机体康复的科学知识体系和实践活动"。其首要任务是认识健康和疾病转化的机制和条件问题。因而,二者是一致的。前者对后者必定具有启迪和借鉴作用。

首先,耗散结构理论可以深刻揭示人体的统一性及其与外界因素的统一性,为医学模式转变提供理论依据。因为,这一理论用整体观研究生命现象,并且认为只有开放的、能与外界进行物质、能量、信息交换的系统,才能形成稳定的有序结构。人体正是这样的系统。

但是,传统生物医学模式忽视了人的社会性和心理因素的影响,对生理病理过程的考察往往带有封闭或半封闭性质,而且使用的是脱离整体联系发展的孤立、静止研究方法。这就使得它不可能正确反映和解决作为开放系统的人体稳定、有序、健康问题,因而不可避免地要被新的医学模式所代替。所以,医务工作者掌握耗散结构观点,首先有助于实现从生物医学向生物、心理、社会医学模式转变。

其次,有助于临床工作中,系统整体思维和全方位立体思维的形成和运用。

此外,人体有序、健康的形成和保持,实际上是多组分多层次的人体系统为主体和物质基础,以与外界交换所得能量为动力,以来自内部信息为指令,以神经体液为调控手段,以时空或功能有序为目标的自组织过程。因此,耗散结构理论的提出,使系统科学方法变得更加完善,对医学研究中解释人体生理病理过程有启发作用。

耗散结构理论提出"非平衡是有序之源"的观点,对纠正"平衡有序"观念和贯彻积极治疗,推动有关非平衡区生命稳定有序的研究,对搞好防病治病有着重要意义。

但非平衡,不是不平衡,也不是平衡,而是巨涨落前的远离平衡态,是处于失稳 临界点附近没有超过临界点的稳态。与此相对应,失稳包括两方面,一是因平衡变为不平衡而失稳,如细胞外液pH值过高过低将导致碱中毒或酸中毒。二是不平衡趋向平衡而失稳,细胞外液钾浓度增高,而致高血症;各种组织中较特异酶谱由区别而趋向一致性,意味着癌症出现。所以,现代医学强调的是动态平衡

然而,我们许多医务工作者在实践中,努力纠正不平衡的同时,往往不自觉地走向另一极端追求平衡。而且忽视了心理、社会动态平衡对健康的意义,这对实践是有害的。实践告诉我们,难治性心力衰竭一类顽症之所以难治,就在于只引入负熵流(即各种改善心衰的措施,包括药物等)并不一定能刺激机体达到临界点,要使机体完成"无序→有序"的跃进,必须使机体远离平衡即机体要有相当的自身活力和抵抗力,通过涨落达到临界点才能使新的跃进完成,使机体从无序状态恢复到有序状态。所以,我们必须注意,治疗中不能单纯依靠药物等一系列外来因素的作用,还必须大力提高患者的整体机能,包括非药物的心理治疗,排除影响机体机能恢复的各种干扰。

耗散结构理论的提出,推动医学工作者进一步从各方面探索处于非平衡区生命系统稳定、有序、健康的维持问题。诸如什么是稳态;有什么抗干扰的特性;失稳的临界点在哪里;在什么条件下,通过什么方式,人体有序变无序,稳态变失稳;在失稳、生病后在什么条件下,通过什么方式恢复稳态、健康等等。这对提高医疗卫生工作质量无疑是有益的。例如,布鲁塞尔学派对肿瘤免疫的研究,就属于抗干扰特性研究的一部分。该派倾向于细胞免疫起主要作用。体外实验表明,效应细胞每次可以与一个或几个肿瘤细胞结合然后分解为原来形式的效应细胞和失去复制能力的死亡肿瘤细胞。布鲁塞尔学派为此建立起肿瘤生长的数学模型。在对这一模式的求解中,它给出何种条件肿瘤会长大或抑制,即在某些条件下,小于临界大小的肿瘤将消失,大于临界大小的肿瘤则长大。在另一些条件下,埋没肿瘤中的正常组织若大于一定临界大小时会不断长大,从而摆脱癌状态,反之若该正常组织过小则会为肿瘤组织所吞没。该模型给出的肿瘤细胞数的时间振荡行为与临床观察一致"[4]。这样的探讨,对临床上因势利导防治肿瘤就很有价值。又如,临界点问题,不但研究稳态的生物(或理化)临界点,而且研究心理、社会临界点,以及对临界值随年龄、性别,特别是作用因素的量与时间两者关系所决定的个体适应与不适应之间的差异,这些对医学理论和实践都有着十分重要的意义。

此外,掌握"非平衡是有序之源"的观点,还有助于动态思维的形成。"非线性"理论对医学实践有着重要的启迪和借鉴作用。系统的不同元素之间存在着非线性机制,是耗散结构形成的重要条件之一。多组分多层次的开放系统只有处于远离平衡的非线性区,才有可能经涨落的触发,从无序突变为稳定的有序的时空结构。非线性区有两个特征:一是突变、飞跃的临界点所在,二是存在可逆和不可逆的两种不同趋势。因此,掌握非线性区对医疗实践的意义是不容忽视的。

耗散结构理论关于生命系统进化过程中的非线性涨落的作用,与医学实践中生理和病理相互转化中涨落的作用有所不同(前者是单向的、积极的;后者是双向的,利弊兼有的)。但其对非线性涨落的论述,可以启发医务工作者在实践中,因势利导,尽可能防止和减少涨落的破坏作用,充分利用其积极作用,更好地防病治病。

耗散结构理论指出:"生命的保持和发育是跟大量的化学反应和运转现象分不开的。是由许多高度非线性的复杂因素,如激活、抑制、直接的自身催化等连锁制约的"。这就告诉我们,尽管研究病因要从生物、理化、心理、社会等多方面着手;认识疾病的本质要从各个层次上进行探索,但作为生命有机体的线性机制,首先存在于微观层次中,并主要通过微观层次表现出来。因此,我们无论考察生理向病理转化,还是病理向生理复归的量变质变过程,都应把重点放在微观层次上,坚持微观深层导向性。这不是回到片面强调理化指标为依据,着重分析的还原论老路上去,而是要走向综合兼容辩证还原的新思维方式。

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