第九章 非平衡系统的自组织理论：耗散结构
耗散结构理论及应用课件
社会发展动力
耗散结构理论有助于理社会发 展动力机制，揭示社会变革和发 展的内在规律。
文化传播
该理论有助于解释文化如何在社 会系统中传播和演化，以及如何 影响社会的发展和变迁。
经济系统
经济波动与稳定
耗散结构理论可以用来研究经济系统的波动和稳定性，解释经济 危机和繁荣周期的内在机制。
创新与演化
该理论有助于理解经济系统中创新和技术的演化过程，以及如何促 进经济的持续发展。
资源配置
耗散结构理论为资源配置提供了新的视角和方法，强调通过优化物 质能量和信息的流动来提高经济效率。
人工智能
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机器学习与自适应
人工智能系统通过与环境 进行物质能量的交换，不 断学习和优化自身的行为 和性能。
智能涌现
耗散结构理论有助于理解 智能如何从底层简单的规 则和算法中涌现出来，揭 示智能的本质。
物种演化
该理论有助于理解物种如何通过不断与环境进行物质和能 量的交换，在演化过程中形成和演化出新的物种。
生态恢复
耗散结构理论为生态恢复提供了理论支持和实践指导，强 调通过改善系统的物质能量流动和信息交流，促进受损生 态系统的恢复。
社会学
社会秩序的形成
社会作为一个复杂的耗散结构系 统，通过个体间的相互作用和物 质能量的交换，形成各种社会秩 序和结构。
演化规律。
在非平衡态热力学中，系统 通过与外界交换物质和能量 ，不断打破原有平衡状态， 形成新的有序结构和功能。
非平衡态热力学对于理解自然 现象和社会现象的演化具有重 要意义，如生态系统的演化、
城市发展等。
涨落与有序
涨落是指系统内部各个组成部分之间的随机波 动和差异，涨落对于系统的有序演化具有重要 的影响。
耗散结构理论
耗散结构理论是如何创立的――谈“时间悖论”1969年，在一次“理论物理与生物学”国际会议上，比利时布鲁塞尔学派的领导人普利高津教授针对非平衡热力学和统计物理学的发展提出了一种新理论———耗散结构理论。
从考察耗散结构理论的创立过程中，我们发现悖论在其中起了不可忽视的重要作用。
下面，我们就来阐述一下“时间悖论”的发现在耗散结构理论创立过程中的地位和作用。
普利高津在爱因斯坦与密希里·贝索之间的通信集中发现，贝索在1940 1955年期间一而再、再而三地提出时间及其不可逆性等问题。
爱因斯坦耐心地一次又一次地回答：不可逆性是一种幻觉，是一种主观印象，它来自某种意外的初始条件。
贝索对爱因斯坦的回答始终不满意。
在80岁高龄时，贝索作了一种尝试，想调和广义相对论和时间的不可逆性。
爱因斯坦不同意这一尝试。
他说：“你是站在光滑的地面上。
在物理学的基本定律中没有任何不可逆性，你必须接受这样的思想：主观的时间，连同它对‘现在’的强调，都是没有任何客观意义的。
”当贝索去世的时候，爱因斯坦写了一封动人的信给贝索的妹妹：“密希里早我一步离开了这个奇怪的世界，这是无关紧要的。
就我们这些受人信任的物理学家而言，过去、现在和将来之间的区别只是一种幻觉，然而，这种区别依然持续着。
”既然“过去、现在和将来之间的区别只是一种幻觉”，那么，为什么说“这种区别依然持续着”呢？难道这不是一个悖论？“时间悖论”的发现使普利高津深深地迷住了“时间”。
他看到“时间悖论”的形成有其深刻的思想基础。
他说，虽然“相对论和量子力学带来了思想上的伟大革命，但基本没有改变这个经典物理学的观点。
在动力学中，无论是在经典的、量子的，还是相对论的动力学中，时间只是外部的一个参量，它没有什么优惠的方向。
在动力学中，没有任何东西能够区别过去和将来。
”在动力学中，时间概念只有简单的意义。
它与我们所处的三维空间一样，仅被看做描述物理过程的时空行为的第四个坐标。
在经典力学中，不会出现“时间箭头”；时间本质上只是描述可逆运动的一个几何参量。
耗散结构论 百度百科
(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。
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。
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一、耗散结构论的产生
二、耗散结构论的几个基本概念
1. (1)远离平衡态
2. (2)非线性
3. (3)开放系统
4. (4)涨落
5. (5)突变
三、耗散结构论的基本思想
四、耗散结构论的重大缺陷
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五、对耗散结构论等的改造
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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。
耗散
耗散耗散结构(dissipative structure) 关于“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一个重要新分支，是由比利时科学家伊里亚·普里戈津(I．Prigogine)于20世纪70年代提出的，由于这一成就，普里戈津获1977年诺贝尔化学奖。
差不多是同一时间，西德物理学家赫尔曼·哈肯(H．Haken)提出了从研究对象到方法都与耗散结构相似的“协同学”(Syneraetics)，哈肯于1981年获美国富兰克林研究院迈克尔逊奖。
现在耗散结构理论和协同学通常被并称为自组织理论。
我们首先从几个例子看一下究竟什么是耗散结构。
天空中的云通常是不规则分布的，但有时蓝天和白云会形成蓝白相间的条纹，叫做天街，这是一种云的空间结构。
容器装有液体，上下底分别同不同温度的热源接触，下底温度较上底高，当两板间温差超过一定阈值时，液体内部就会形成因对流而产生的六角形花纹，这就是著名的贝纳德效应，它是流体的一种空间结构。
在贝洛索夫—一萨波金斯基反应中，当用适当的催化剂和指示剂作丙二酸的溴酸氧化反应时，反应介质的颜色会在红色和蓝色之间作周期性变换，这类现象一般称为化学振荡或化学钟，是一种时间结构。
在某些条件下这类反应的反应介质还可以出现许多漂亮的花纹·，此即萨波金斯基花纹，它展示的是一种空间结构。
在另外一些条件下，萨波金斯基花纹会成同心圆或螺旋状向外扩散，象波一样在介质中传播，这就是所谓化学波，这是一种时间一一空间结构。
诸如此类的例子很多，它们都属于耗散结构的范畴。
为了从各不相同的耗散结构实例中找出其本质的特征和规律，普里戈津学派研究了非平衡热力学,继承和发展了前人关于物理学中相变的理论，运用了当代非线性微分方程以及随机过程的数学知识，揭示出耗散结构有如下几方面的基本特点。
首先，产生耗散结构的系统都包含有大量的系统基元甚至多层次的组分。
贝纳德效应中的液体包含大量分子。
天空中的云包含有由水分子组成的水蒸气、液滴，水晶和空气，因而是含有多组分多层次的系统。
转载的：耗散结构、耗散结构理论
转载的：耗散结构、耗散结构理论耗散结构 (dissipative structure) 关于“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一个重要新分支，是由比利时科学家伊里亚·普里戈津(I．Prigogine)于20世纪70年代提出的，由于这一成就，普里戈津获1977年诺贝尔化学奖。
差不多是同一时间，西德物理学家赫尔曼·哈肯 (H．Haken)提出了从研究对象到方法都与耗散结构相似的“协同学”(Syneraetics)，哈肯于1981年获美国富兰克林研究院迈克尔逊奖。
现在耗散结构理论和协同学通常被并称为自组织理论。
我们首先从几个例子看一下究竟什么是耗散结构。
天空中的云通常是不规则分布的，但有时蓝天和白云会形成蓝白相间的条纹，叫做天街，这是一种云的空间结构。
容器装有液体，上下底分别同不同温度的热源接触，下底温度较上底高，当两板间温差超过一定阈值时，液体内部就会形成因对流而产生的六角形花纹，这就是著名的贝纳德效应，它是流体的一种空间结构。
在贝洛索夫—一萨波金斯基反应中，当用适当的催化剂和指示剂作丙二酸的溴酸氧化反应时，反应介质的颜色会在红色和蓝色之间作周期性变换，这类现象一般称为化学振荡或化学钟，是一种时间结构。
在某些条件下这类反应的反应介质还可以出现许多漂亮的花纹·，此即萨波金斯基花纹，它展示的是一种空间结构。
在另外一些条件下，萨波金斯基花纹会成同心圆或螺旋状向外扩散，象波一样在介质中传播，这就是所谓化学波，这是一种时间一一空间结构。
诸如此类的例子很多，它们都属于耗散结构的范畴。
为了从各不相同的耗散结构实例中找出其本质的特征和规律，普里戈津学派研究了非平衡热力学,继承和发展了前人关于物理学中相变的理论，运用了当代非线性微分方程以及随机过程的数学知识，揭示出耗散结构有如下几方面的基本特点。
首先，产生耗散结构的系统都包含有大量的系统基元甚至多层次的组分。
贝纳德效应中的液体包含大量分子。
耗散理论
耗散理论耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。
耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流的维持下，通过自组织形成的一种新的有序结构。
“耗散”一词起源于拉丁文，原意为消散，在这里强调与外界有能量和物质交流这一特性。
例如，从下方加热的液体，当上下液面的温度差超过某一特定的阈值时，液体中便出现一种规则的对流格子，它对应着一种很高程度的分子组织，这种被称为贝纳尔流图像，就是液体中的一种耗散结构。
又如，化学反应中的别洛索夫—扎博京斯基反应，某些反应物浓度随时间和空间呈周期性的变化，这种化学振荡和空间图像，就是化学反应中的一种耗散结构。
耗散结构是比利时布鲁塞尔学派著名的统计物理学家普里戈金，于1969年在理论物理和生物学国际会议上提出的一个概念。
这是普里戈金学派20多年从事非平衡热力学和非平衡统计物理学研究的成果。
1971年普里戈金等人写成著作《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，并将它应用到流体力学。
化学和生物学等方面，引起了人们的重视。
1971～1977年耗散结构理论的研究有了进一步的发展。
这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，以及耗散结构在化学和生物学等方面的应用。
1977年普里戈金等人所著《非平衡系统中的自组织》一书就是这些成果的总结。
之后，耗散结构理论的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等。
耗散结构理论把复杂系统的自组织问题当作一个新方向来研究。
在复杂系统的自组织问题上，人们发现有序程度的增加随着所研究对象的进化过程而变得复杂起来，会产生各种变异。
针对进化过程时间方向不可逆问题，借助于热力学和统计物理学用耗散结构理论研究一般复杂系统，提出非平衡是有序的起源，并以此作为基本出发点，在决定性和随机性两方面建立了相应的理论。
耗散结构理论
耗散结构理论.txt 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)。
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。
协同论协同学（Synergetics）协同学亦称协同论或协和学，是研究不同事物共同特征及其协同机理的新兴学科，是近十几年来获得发展并被广泛应用的综合性学科。
它着重探讨各种系统从无序变为有序时的相似性。
协同论的创始人哈肯说过，他把这个学科称为“协同学”，一方面是由于我们所研究的对象是许多子系统的联合作用，以产生宏观尺度上结构和功能；另一方面，它又是由许多不同的学科进行合作，来发现自组织系统的一般原理。
客观世界存在着各种各样的系统；社会的或自然界的，有生命或无生命的，宏观的或微观的系统等等，这些看起来完全不同的系统，却都具有深刻的相似性。
协同论则是在研究事物从旧结构转变为新结构的机理的共同规律上形成和发展的，它的主要特点是通过类比对从无序到有序的现象建立了一整套数学模型和处理方案，并推广到广泛的领域。
它基于“很多子系统的合作受相同原理支配而与子系统特性无关”的原理，设想在跨学科领域内，考察其类似性以探求其规律。
哈肯在阐述协同论时讲道：“我们现在好像在大山脚下从不同的两边挖一条隧道，这个大山至今把不同的学科分隔开，尤其是把‘软’科学和‘硬’科学分隔开。
”协同学的创立者，是联邦德国斯图加特大学教授、著名物理学家哈肯（H旽aken）。
1971年他提出协同的概念，1976年系统地论述了协同理论，发表了《协同学导论》，还著有《高等协同学》等等。
进化生态学名词解释耗散结构
进化生态学名词解释耗散结构
进化生态学名词解释
进化生态学是研究物种在适应环境变化过程中的演化和生态学关系的学科。
它主要探讨物种如何适应环境变化、如何利用资源、如何与其他物种相互作用以及这些过程如何影响物种的演化。
耗散结构
耗散结构是指一个系统在一个非平衡状态下，通过吸收能量和物质来维持自身稳定的结构。
这个概念最早由Ilya Prigogine提出，他认为所有开放系统都是耗散结构。
在自然界中，许多生命体系也可以被看作是耗散结构，例如人类身体、群落和生态系统。
耗散结构的特点
1. 非平衡状态：耗散结构存在于非平衡状态下，需要不断地吸收能量和物质来维持自身稳定。
2. 自组织性：耗散结构具有自组织性，可以通过内部机制自我调节和协调。
3. 多样性：耗散结构可以表现出多样性，不同的系统会因为吸收不同的能量和物质而呈现出不同的形态和行为。
4. 敏感性：耗散结构对环境变化非常敏感，小的变化可能会导致系统的崩溃或产生新的结构。
5. 开放性：耗散结构是开放系统，需要从外部吸收能量和物质来维持自身稳定。
耗散结构在进化生态学中的应用
在进化生态学中，耗散结构理论被广泛应用于研究生物群落和生态系
统的演化。
人类社会可以看作是一个耗散结构，人类通过吸收能量和
物质来维持社会稳定，并且社会内部具有自组织性和多样性。
同样地，一个生态系统也可以看作是一个耗散结构，它需要从外部吸收能量和
物质来维持自身稳定，并且具有自组织性和多样性。
通过研究生态系
统的耗散结构特征，可以更好地理解它们的演化过程。
耗散结构理论
耗散结构理论
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。
【耗散结构理论与医学】
1 人体能够形成和保持耗散结构
耗散结构,是普利高津在研究不违背热力学第二定律情况下,如何阐明生命系统自身的进化过程时提出的新概念。什么是耗散结构?用通俗的话来讲,就是一个远离平衡的包含有多组分多层次的开放系统,在外界条件变化达到一定阈值时,经“涨落”的触发,量变可能引起质变;系统通过不断与外界进行物质和能量交换,在耗散过程中产生负熵流,就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。这种非平衡态下形成的新的有序结构,就是耗散结构。
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、撤、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。
耗散结构课件
ds
x1
x0
X
x2
单位时间内，从温度较高的一侧，通过这一平 面向温度较低的一侧所传递的热量，与这一平面所 在处的温度梯度和面积元成正比 热传导系数 能量流动方 dQ 恒为正值 dT K ds 单位J· -1· -1· -1 向与温度梯 K m s dt dx 度方向相反 W· K-1· m-1
耗散结构
三、耗散结构的形成
1、耗散结构的形成
只能在开放系统中，非线性的远离平衡态 的区域出现。 有突变和正反馈现象。
自组织现象中的有序状态是突然出现的。
突变现象 (失稳现象)
处于稳定 平衡状态
G G
处于不稳 定平衡态
a
b
微小扰动失稳现象
热力学系统失稳依靠的是各种正反馈现象。 (正反馈是对微弱扰动的放大作用) 2、涨落导致有序
系统的瞬时状态完全是偶然的，不可确定。
混沌态
形成耗散结构必须有以下四个条件: (1)开放系统; (2)远离平衡态; (3)涨落突变; (4)非线性抑制因素。
1 2
dM ds
x0
2
X
x2
d 密度梯度 dx
表示气体的密度沿x 轴方向 的空间变化率。
单位时间内，经过ds 扩散面的分子质量dM与 附近的密度梯度和面积元ds 成正比
dM d D ds dt dx
扩散方向与质量 梯度方向相反 扩散系数恒为正值
单位m2· s-1
物质流(质量流)
系统——耗散结构
3、分支现象
x
c
x0
外界对系统的控制参量
a
b c
ห้องสมุดไป่ตู้
x表征系统定态的某个参量 大小表示外界对系统 影响的程度以及系统 偏离平衡态的程度
自组织理论耗散结构
自组织理论耗散结构
自组织理论和耗散结构是现代世界观的核心观念，它们被广泛应用于社会、经济学和生物等领域中，用于描述、解释和模拟复杂系统。
它们可以帮助人们更好地理解复杂的外部和内部环境，从而帮助实现持续发展。
本文将对自组织理论和耗散结构进行深入分析，以便对它们进行更好的理解和认识。
自组织理论是描述复杂系统内部结构和动力学进程的理论，它是基于动力学系统的思维，其特征是自身的演化。
它指出，复杂系统通过内部原则、外部环境、资源和系统结构来维持一种稳定的整体状态，能够相应地对外部环境变化作出反应，以保持自身的稳定性、系统性和可持续发展。
换句话说，自组织理论的重点是探索复杂系统的稳定性以及系统的可持续发展性，以及它们之间的关系。
耗散结构是描述特定系统内部结构和动力学过程的理论，耗散结构理论旨在分析复杂系统中的相互关系和动力学模式，探索它们如何维持稳定的整体状态。
它说，自然界的复杂系统通常具有特定的耗散结构。
通过耗散结构，复杂系统可以实现内部耗散机制，以保持它们的稳定性。
耗散结构理论[1971年提出的理论]
![耗散结构理论[1971年提出的理论]](https://img.taocdn.com/s3/m/4e230d094a35eefdc8d376eeaeaad1f34793114f.png)
耗散结构理论[1971年提出的理论]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。
耗散结构理论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。
耗散结构
耗散结构的必要条件：
1。 首先，产生耗散结构的系统都包含有大量的 系统基元甚至多层次的组分。基元间以及不同的 组分和层次间还通常 存在着错综复杂的相互作用 2。产生耗散结构的系统必须是开放系统，必定同 外界进行着物质与能量的交换。 3。 产生耗散结构的系统必须处于远离平衡的状 态。 4。耗散结构总是通过某种突变过程出现的，某种 临界值的存在是伴随耗散结构现象的一 大特征。
气功与耗散结构 (一)
脑电波的有序化： （开发智慧？）
人脑波涨落中有一种超慢几率波，遍布各个脑 区,频率不一。中国人体科学3卷1期指出: 与常 人组相比，气功组的S谱具有严密自组织的强谐 振结构（图1）。最佳状态时可达到全脑在一个 或一组频率上同步谐振—－“全脑相干”。
脑电波态
年长气功师 “周易”理论大家 临床治病的气功师
嫡 的概念首先是为描述宏观过程的不可逆性而引入的。 不可逆性究竟是怎么一回事呢?
试把一滴兰墨水滴到一杯静水中，兰色的墨水“分子”总是自动地向周围 扩散，最后全变成一杯均匀的浅兰色溶液，即达到墨水“分子”和水分 子的均匀混合。相反的过程，即墨水“分子”从初姑与水分子均匀混合 的溶液中自动聚集起来又凝成一滴浓的墨水的情况却从来汉有人看见过， 这就是在上节中提到的扩散过程的不可逆性。从分子的观点看，即使墨 水 “分 子”和 水分 子达到 最大 程度的 均匀 混合以 后宏 观状态 不再 变 化．但男水“分子”和水分子仍在不停地运动，并且单个分子的运动并 不受宏观条件曲限制。因此并不能绝对否认有墨水分子聚集起来的可能 性，不过完全聚集起来的可能性非常小。按照统计的语言，我们说墨水 分子完全聚集起来的几率非常小。
水加热过程中出现的耗散结构
上下温度的不平衡造成热 流浓度分布上的有序化。 非平衡是有序之源。
自组织理论、耗散结构
自组织理论关注的是系统如何自发地形成有序结构和功能， 强调系统内部的自主性和自我完善能力。它不依赖于外部指 令或预设模式，而是通过内部相互作用和演化，实现从无到 有的结构和功能的涌现。
自组织特性
总结词
自组织具有自主性、开放性、非线性、远离平衡态等 特性。
详细描述
自组织的自主性是指系统内部各要素具有相对独立性， 能够自主地进行决策和行动；开放性则指系统与外界环 境保持物质、能量和信息的交换，以维持系统的动态稳 定；非线性则说明系统内部各要素之间的相互作用是非 线性的，这种相互作用导致系统整体的行为无法简单地 通过各部分的性质来预测；远离平衡态则强调系统内部 各要素之间的差异和不平衡，这种不平衡状态是系统自 组织演化的驱动力。
宇宙学
宇宙中的星系、星云等结构是通过自组织和耗散过程形成的，这些 过程包括引力、电磁力等相互作用。
固体物理学
固体中的晶体结构、缺陷和相变等现象也是通过自组织和耗散过程形 成的，这些过程涉及到原子或分子的相互作用和能量交换。
化学领域的应用
01
化学反应动力学
化学反应的动力学过程涉及到反应物分子的自组织行为和能量的耗散，
理论发展
随着研究的深入，科学家们不断发展和完善耗散结构理论，将其应用 于更广泛的领域，如生物学、经济学和社会学等。
03 自组织理论与耗散结构的 关系
自组织理论与耗散结构的相似性
强调系统内部自发的秩序和结构
自组织理论和耗散结构都认为系统在一定条件下能够自发地形成有序的结构和功能，而不 是完全由外部因素决定。
果。
耗散结构理论的发展历程
早期探索
耗散结构理论的起源可以追溯到20世纪初，当时的一些科学家开始研 究热力学中的一些问题，发现了开放系统的自组织现象。
耗散理论
耗散[hào sàn]耗散结构 (dissipative structure) 关于“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一个重要新分支，是由比利时科学家伊里亚·普里戈津(I．Prigogine)于20世纪70年代提出的，由于这一成就，普里戈津获1977年诺贝尔化学奖。
差不多是同一时间，西德物理学家赫尔曼·哈肯 (H．Haken)提出了从说明研究对象到方法都与耗散结构相似的“协同学”(Syneraetics)，哈肯于 1981年获美国富兰克林研究院迈克尔逊奖。
现在耗散结构理论和协同学通常被并称为自组织理论。
目录1简介2首先3第二4第三5贝纳德效应6第四7综述8天街、贝纳德效应以及贝洛索夫9广义1简介远离平衡态的开放系统，通过与外界交换物质和能量，可能在一定的条件下形成一种新的稳定的有序结构。
典型的例子是贝纳特流。
在一扁平容器内充有一薄层液体，液层的宽度远大于其厚度，从液层底部均匀加热，液层顶部温度亦均匀，底部与顶部存在温度差。
当温度差较小时，热量以传导方式通过液层，液层中不会产生任何结构。
但当温度差达到某一特定值时，液层中自动出现许多六角形小格子，液体从每个格子的中心涌起、从边缘下沉，形成规则的对流。
从上往下可以看到贝纳特流形成的蜂窝状贝纳特花纹图案。
这种稳定的有序结构称为耗散结构。
类似的有序结构还出现在流体力学、化学反应以及激光等非线性现象中。
耗散结构的特征是：①存在于开放系统中，靠与外界的能量和物质交换产生负熵流，使系统熵减少形成有序结构。
耗散即强调这种交换。
对于孤立系统，由热力学第二定律可知，其熵不减少，不可能从无序产生有序结构。
②保持远离平衡态。
贝纳特流中液层上下达到一定温度差的条件就是确保远离平衡态。
③系统内部存在着非线性相互作用。
在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大，达到有序。
比利时的普里高津、德国的哈肯、日本的久保-铃木等学派对远离平衡态的耗散结构理论的建立与发展作出重要贡献。
耗散结构理论PPT课件
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耗散结构理论
在耗散结构理论中, 普利高津为了说明系统是 如何与外界相互作用进而从无序转变为有序的, 因而引入了熵的概念。 熵在热力学中是指系统有序程度大小的量度,熵 越大,系统的无序程度越高。 热力学第二定律指出, 对于一个非平衡的孤立 系统, 它的熵总是自发地趋于极大, 最终达到 一个具有最大熵值的平衡态【一个宏观静止、 分子排列最混乱的状态】。
地理系统是一个非平衡系统
在地理系统中,耗散结构的所谓地理时空有序， 就是地理时空对称的破缺,所谓地理组织和结构 性的产生,实质上是地理对称员的减少。完全的 地理系统就意味着没有任何地理秩序,没有任何 地理结构和信息,这正是孤立的地理系统处在平 衡态的特点。 地理系统内地理力的存在,就意味着“ 非平 衡” , 地理系统维持着这种促使其有序的非平 衡,并在不断打彼内部各头“ 平衡” 的基础上 创造新的非平衡。
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耗散结构理论简介
耗散结构( Diissipative Structure) 理论是20世纪70 年代兴起的一种新的科学方法论 , 它是基于物理中热 力学第二定律发展起来的。1977 年, 比利时著名理学 家普利高津( Prigogine) 因成功地提出了耗散结构理 论而荣获诺贝尔奖。普利高津指出, 一个远离平衡的开 放体系( 不管是力学的、物理的, 还是化学的、生物 的) , 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分子,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, 从而可能从原来的无序状态变为一种时间、 空间和功能的有序结构。这种非平衡状态下的新的有序 结构就是耗散结构。
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可以用中国传统的阴阳 学说来描述热力学第二
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第九章非平衡系统的自组织理论：耗散结构一、耗散结构理论的产生及发展（一）耗散结构的概念在开放和远离平衡的条件下，在与外界环境交换物质和能量的过程中，通过能量的耗散和内部的非线性动力学机制及涨落的触发和推动下形成并保持下来的宏观时空有序结构称为耗散结构。
耗散结构理论指出，一个远离平衡的开放系统（力学的、物理的、化学的、生物的、社会的、经济的系统），通过不断地与外界交换物质和能量，在外界条件的变化达到一定的阈值时，可能从原有的混沌无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。
耗散结构理论就是研究耗散结构的性质以及它的形成、稳定和演变规律的科学。
它的研究领域是物质系统的复杂性，即物质系统各层次或层次之间的非线性复杂关系。
其研究对象是开放的非平衡自组织系统。
着重考查在一定外界条件影响下的非平衡开放系统是如何通过自身的非线性相干反馈和协同作用，自发地形成宏观有序的自组织结构的。
它的建立和发展，使人们对自然界的发展有了一个比较完整的认识：在平衡态附近系统的发展行为倾向主要是趋向平衡态，并伴随着无序的增加和结构的破坏。
在远离平衡态的条件下，系统的发展过程则可能出现突变，导致新结构的形成和有序度的增加。
（二）耗散结构理论的产生耗散结构（ＤｉｓｓｉｐａｔｉｖｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）是比利时物理学家普瑞高津（Ｉ．Ｐｒｉｇｏｇｉｎｅ）于1969年在一次“理论物理与生物学”的国际会议上首先提出的一个概念。
1971年普瑞高津与格兰道夫（Ｐ．Ｇｌａｎｓｄｏｒｆｆ）合著的《结构、稳定与涨落的热力学理论》较为详细地阐述了耗散结构的概念及其热力学理论，并将之应用到流体力学、化学和生物学等方面，引起了人们的广泛重视。
1977年普瑞高津和尼科里斯（Ｇ．Ｎｉｃｏｌｉｓ）在《非平衡系统的自组织》一书中对其研究成果进行了系统的总结，推动了耗散结构理论与非线性热力学的进一步发展。
耗散结构的理论形式是以普瑞高津为首的布鲁塞尔学派二十多年来从事非平衡热力学统计物理研究结出的成果。
这一理论从产生到现在不过三十多年时间，但在各个领域的应用都取得了十分可喜的成果。
普瑞高津也由于他在科学上的这一重大成就而获得1977年度的诺贝尔化学奖。
世界是由物质构成的，运动是物质的存在形式。
自然界各种物质既有结构层次的不同又有运动形式的千变万化。
自然科学的任务是研究自然界各种物质的形态结构性质和运动规律，不断探索新现象，揭示新规律，提出新概念，建立新理论。
在现代科学发展的进程中，出现了高度分化和相互渗透基础上的高度综合整体化趋势。
一方面是学科的不断分化，随着人类对自然界的认识进入到更深的层次，自然科学也不断深入地研究各种自然事物及其运动的特殊矛盾。
这就是导致自然科学继续高度分化，使得原来的每一门学科又都分化出许许多多的分支学科。
另一方面是学科的交叉与综合。
每一门学科越是分化，对它的研究越深入，也就越来越暴露出它与原来认为和它毫无关系的其他学科之间的内在联系。
每门学科内部各分支之间，出现了共同的统一基础，使原来分散的理论和概念越来越综合，不同学科门类之间的关系愈来愈密切，各门学科之间的相互移植、交叉和渗透，彼此横向整体化，便产生了许多边缘学科、横断学科、综合学科。
耗散结构理论就是这一发展的典型代表。
耗散结构的研究对象是开放系统，而宇宙中各种系统，无论是无生命的还是有生命的系统，都是开放系统，无一不与外界环境有着密切的联系与相互作用的关系，耗散结构理论所考察和研究的非平衡、非线性、自组织和宏观合作现象是不同领域各个学科中的共同现象。
因而，这一理论应用范围之广在科学史上是少见的，它可以广泛应用于物理、化学、生物、地学、农学、医学、工程技术、经济等许多领域。
因此，这一边缘交叉的横断学科，刚一出现就引起了各领域中广大科学工作者的极大兴趣，并展示出了其广阔的应用前景。
（三）耗散结构论的发展及应用前景现代科学的研究对象已遍及自然界的各个角落、各个层次和各种现象，人们对客观世界的研究越来越深入，越来越复杂，越来越细致，难度也越来越大，也越来越逼近真实。
在微观世界，人们的研究已深入到了质子和中子内部，深入到10-15厘米以下的更深层次，对物质基本结构的认识越来越深入清晰。
在宏观世界人们的研究已扩展到200亿光年以内的宇宙空间范围，对整个宇宙的结构有了相当深刻的认识，并对宇宙的起源诞生与演化的探索也有相当的进展。
人类的认识，已由宇宙诞生200亿年后的今天追溯到宇宙诞生之初的10-44秒的时间范围。
在中观世界，人们对自然界中各种运动关系有了深入的了解，对各种复杂性的探索已逐步展开，并在许多方面取得了突破性的进展。
人们研究所涉及的范围，从空间尺度上看小到10-16厘米（电子半径上限），大到1028厘米（观察所及的宇宙），从时间延续来看短到10-23秒（共振态粒子），长达1017秒（百亿年）。
从物理运动的能量水平看（以温度来计量），其顺序是：牛顿力学（常温）→热力学（～102℃）→化学运动（～103℃）→电磁力学（～104℃）→核能（～107℃）→亚核能（～1013℃）。
由此可见，人类对物质世界的纵向认识已相当深入。
以量子力学和相对论的建立为标志的20世纪世界物理学革命，使人们从微观和宏观这两个认识方向上对自然奥秘的了解达到了前所未有的深度。
然而，人们对物质世界的横向关系的某些方面特别是层次之内、层次之间的复杂性关系和复杂运动还知之甚少，有待深入研究。
目前，物理学在探索世界奥秘的第三个方向，即量的变化导致物质运动由简单到复杂、从低级到高级的各种形态和阶段，直至生命和意识这个没有止境的发展过程的基本规律的认识上也取得了长足的进展，耗散结构论的出现为之作出了突出的贡献，并为人们在非平衡自组织有序及混沌现象、生命的诞生、运动、演化及生命复杂性的研究开拓了一条希望之路。
由于耗散结构理论揭示了物质系统变化过程中可逆与不可逆，有序与无序的矛盾及相互转化的机理和条件，同时还揭示了自然界物质系统如何从平衡到不平衡，从对称到非对称，从线性到非线性，从稳定到不稳定的演化和相反的演化，因此具有广泛的普适性，其思想方法不仅对自然科学，而且对社会科学都有着重要的参考和应用价值，同时为自然科学、生命科学和社会科学对复杂性的研究开辟了一条新通道。
二、形成耗散结构的条件（一）两种不同的系统人们在研究各种各样的系统时，发现有两类完全不同的系统，一类是与外界既没有物质交换，又没有能量交换的系统，人们称之为孤立系统。
根据热力学第二定律，这种孤立系统的内部宏观状态总是随着时间的持续趋于平衡的，到那时，系统的内部宏观状态不再随着时间发生变化。
这种现象在日常生活中是很普遍的，例如，在一个中间有隔板的容器中，把一些蓝墨水滴入其中的一边，然后抽开隔板，蓝墨水很快就向另一边扩散，最后两边浓度变成一样了。
在热力学中，把系统的内部宏观状态趋于平衡的这种现象用熵增大来描述。
它指出在孤立系统中，熵总是在不断增加的，熵的变化总是大于零的，一直到熵达到极大值。
后来，波尔兹曼指出了这种孤立系统内部宏观状态总是不断趋于平衡，熵不断增加的微观意义，即系统的熵增加实际上标志着系统内部微观分子运动的无序性的增加、有序性的减少。
在自然界中，除了这种系统以外，还存在着另一种系统，它与周围环境自由地进行物质和能量的交换，这就是开放系统。
如吞食食物的变形虫就是开放系统的一个例子。
一个工厂也可以看成是一个开放系统，它不断地输入原料和燃料，同时又输出制成的产品和废料。
这种系统与孤立系统有着明显的区别，它的内部状态随着时间的持续，无序性总是自发地减少，有序性总是自发地增加。
一个变形虫随着时间的持续，由小变大直到成熟分裂。
一个工厂随着时间的持续，它的产品数量不断增加，产品质量不断提高。
这样一类系统完全不遵守热力学第二定律，而是遵守达尔文的进化学说。
这种系统明显地表现出自组织性，所以又称自组织系统。
这样两种不同的甚至是矛盾的系统之间有没有内在联系？它们之间的关系是什么？这实际是从一个更一般的角度重提热力学第二定律与生命进化的关系问题。
普瑞高津提出的耗散结构理论就是建立在对第二定律的研究之上的。
他把宏观系统分为三种：一是孤立系统，它跟其周围的环境不产生物质和能量的交换；二是封闭系统，它只与外界交换能量；三是开放系统，它与外界交换能量和物质。
第二定律引进了熵这种新的系统状态函数，熵与外界的能量交换有联系，但它与能量相反，是不守恒的。
熵的增加是外界供应的熵和系统内部产生的熵的总和。
第二定律表明系统内部产生的熵大于或等于零。
对于孤立系统来说，外界供应的熵等于零，因此它的总熵的变化大于或等于零，等号只有在系统经过长时间而达到的平衡状态下才能实现。
（二）耗散结构概念要理解耗散结构概念，仍要从上述关于不同系统的分析出发，将上述的有些思想加以较严格的论述。
耗散结构理论首先建立了孤立系统与开放系统这两种不同系统的既区别又相联系的方程。
它指出，任何一个系统的熵的变化ｄＳ都由两部分组成，如图8.1所示。
图8.1开放系统中的熵流和熵产生ｄＳ=ｄｅＳ+ｄｉＳ（9-1）第一项ｄｅＳ是系统与外界交换物质和能量而引起的熵流，第二项ｄｉＳ是系统内部自发产生的熵。
因此任何一个系统的ｄｉＳ总是大于或等于零的（当平衡时等于0），开放系统也不例外，而ｄｅＳ则因不同的系统而有不同的情况。
（1）在孤立系统中，没有熵流，ｄｅＳ=0。
因此这个系统的ｄＳ>0（在平衡时ｄＳ=0），总是熵增加，无序度增大，从这里我们也可以看出孤立系统只是开放系统的一个特例。
（2）在开放系统中，系统的熵流ｄｅＳ不等于0时，系统并不一定就是有序性增加。
这要作具体分析，存在着三种情况：第一种情况是热力学平衡态。
在这种系统中，虽然ｄｅＳ不等于0，但它是大于0的，即：ｄｅＳ>0。
所以物质流和能量流的进入便大大增加了系统的总熵，加速了系统趋向平衡态的运动。
第二种情况是线性非平衡态，这种状态与平衡只有一点点微小的差别，ｄｅＳ≈0，这种系统即使开始存在时有一些有序结构，但最终抵抗不了系统内部自发产生的熵的破坏，从而最终趋于平衡，而不可能出现任何新的结构和组织。
第三种情况则完全不同了，这种系统远离平衡态，也就是说ｄｅＳ=0，系统不断地从环境中获取物质和能量，这些物质和能量给系统带来了负熵，结果使整个系统的有序性的增加大于无序性的增加，新的结构和新的组织就能自发地形成，这种远离平衡态的系统我们就称之为耗散结构，如生命系统、社会系统都是这种耗散结构。
普瑞高津本人曾对耗散结构有一个比较简单通俗的介绍：一个开放系统可能有三种不同的存在方式：第一种方式是热力学平衡态。
在这里经过流动已经消除了温度和浓度的差别，熵增加到一个新的较大的值，从而达到了一致。
对于孤立系统，分子处于完全无序状态，熵极大，平衡态由波尔兹曼有序原理决定。