耗散结构理论-科学观,哲学意义

耗散结构理论

耗散结构理论是比利时布鲁塞尔学派领导人普利高津

（I.Prigogine）教授1969年在一次“理论物理与生物学”的国际会议上，针对非平衡态统计物理学的发展提出的。理论指出，一个远离平衡态的开放系统，通过不断地和外界交换物质和能量，当外界条件达到一定的阈值时，系统可能从原来的无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。普利高津把在远离平衡态情况下所形成的有序结构命名为“耗散结构”。耗散结构理论就是研究耗散结构的性质，以及它的形成、稳定和演变规律的理论。

耗散结构理论研究的对象是开放系统。宇宙中的系统无一不是和周围环境有着相互依存和相互作用的开放系统，不论是有生命的，还是无生命的，都是如此。因此，这一理论涉及的面之广，在科学发展史上是罕见的。这一理论从诞生到现在，短短的二十几年中，在各方面的应用都已取得了可喜的成果。

我们应该清楚地看到，在自然界、科学实验、乃至社会现象中，从宏观上看，都有必要、也必须区分平衡结构（平衡状态下的稳定化有序结构）和耗散结构（耗散状态下的稳定化有序结构）。这里所讲的平衡结构，是指热力学意义上的平衡，即在与外界没有物质、能量交换的条件下，宏观系统的各部分在长时间内不发生任何变化。而耗散结构是指宏观系统在非平衡条件下，通过和外界不断地进行能量和物质交换而形成并维持的一种稳定化了的有序结构，即在非平衡态下

宏观体系的自组织现象。通俗一点讲，平衡结构是一种“死”的有序化结构，而耗散结构则是一种“活”的有序结构。我们熟知的晶体和液体是比较典型的平衡态下的稳定化有序结构。连续介质力学中的“贝纳特不稳流”则是布鲁塞尔学派最早用来说明耗散结构物理图象的一个例子。这个实例说，加热一个液体系统，液体内会产生一个温度梯度。温度梯度较小时，热量通过传导在液体中传递，不存在一种有序的自组织现象。但如果继续加热，当温度梯度达到一定的特征值时，一种有序的对流元胞会自动呈现，整个体系则由无数个这种对流元胞组成，它对应于一种高度有序化的分子组织，此时热量是通过宏观对流来传递的。这种图象就称为“贝纳特花样”，如右图所示。这种产生在不稳定之上，当体系达到某一特征值时稳定化的宏观有序的新组织、新结构，就是所谓的耗散结构。

热力学第二定律指出，熵是无序度的一种量度。熵增加原理又指出，孤立系统的熵永不减少。它终究要达到一个极大值，此时对应于一个热力学的平衡态。因此高熵对应于平衡态，低熵对应于非平衡态。而对于布鲁塞尔学派来说，耗散结构是“非平衡态是有序之源”这一基本出发点的必然结果。对于一个和外界可以交换能量或物质的开放系统，在时间dt内，体系熵的增加量ds，应该由两部分组成。一部分是由于体系和外界交换能量及物质而引起的熵增，称为熵流，用

d e s表示。另一部分称为“熵源”，顾名思义，它是由于体系内部的不可逆过程所引起的，用d i s表示。ds可表示为ds＝d e s+d i s。熵增加原理告诉我们d i s≥O。而对于一个开放系统来说，只要满足d e s＜-d i s，

总熵变可以小于零。由此可见，负的熵流可以使体系的熵减少，形成有序化。当一个开放系统处于稳定态的时候，必然有ds/dt＝0，因而d e s/dt=-d i s/dt。可以在开放系统得到一个有序化原理：非平衡态是有

序之源。或者讲，在开放的非平衡耗散条件下，在存有负熵流的情况下，体系有可能出现耗散的有序化结构——耗散结构。

我们可以把非平衡区分为近平衡区（又称线性非平衡区）和远离平衡区（又称非线性非平衡区）。系统处于近平衡区的定态时，外界的约束是微弱的，系统向平衡态的过渡是连续的，此时系统具有接近于平衡态的某些性质，如空间均匀性。此时系统不可能出现有别于平衡结构的空间自组织结构。而在非线性非平衡区则不同，当约束条件变化时，体系将逐渐偏离平衡态。当约束条件的值超过某一特征值时，体系变得不稳定。此时一个微小的扰动就可以使体系离开不稳定的定态，进入一个稳定化的状态——有序化的耗散结构。

布鲁塞尔学派认为，耗散结构的形成的直接原因是涨落。从本质上讲，耗散结构的出现，对应于一个巨涨落，例如贝纳特不稳流中的温度梯度特征值。

耗散结构理论所研究的对象极其广泛，几乎覆盖了整个宇宙，它的诞生和发展，不仅对自然科学各个领域的发展产生巨大的推动作用，而且对社会科学的各领域的发展也将产生巨大的作用。

普利高津曾经不无感慨地说：“我们耗费了近20年心血，即从1947年到1967年，最后终于得到了‘耗散结构’的概念。”普利高津也

由于耗散结构理论的建立获得了1977 年诺贝尔化学奖。正如美国著名未来学家托夫勒所言，普利高津和同事们的工作“可能很好地代表下一次的科学革命，因为他们的工作不仅与自然，而且甚至与社会本身开始了新的对话。”

一科学意义

耗散结构论的创立，促使我们重新考察科学的方法、目标、认识论、世界观等问题。可以说，它是改变科学本身的一个杠杆，也是科学的历史性转折的标志。

（一）科学研究的切入点——“重新发现时间”

耗散结构论的创立缘于普利高津的独特视角，即从历史科学出发对自然科学的思考。而对时间本质的再次认识是他对系统的整体性认识的切入点。

普利高津认为，虽然近代经典科学曾经激起了人与人之间一场富有成果的对话，但也造成了某些灾难性的文化后果。“两种文化”的对立在很大程度上就是起源于经典科学的没有时间的观点和大多数

社会科学与人文科学中普遍存在的时间定向之间的冲突。

在普利高津看来，科学更新在很大程度上就是重新发现时间。在经典力学中，对任何事物运动的描述是无所谓历史的，即没有时间的优势方向，没有时间之矢，没有演化；事物过去如此，现在如此，将来依然如此。十九世纪的经典热力学，由于克劳修斯等人将熵概念引入并完善了热力学第二定律而得到发展，使人们发现孤立系统内部的分子热运动会随着时间的推移，形成走向无序的熵增加不可逆运动，

因而开始重视物质运动本身客观存在着的不可逆性时间。但是，在热力学第二定律中，时间所对应的运动只是一种仅能用线性关系描述的单调量变过程，它所表征的时间内涵依然没有摆脱机械决定论的色彩，依然具有简单性。爱因斯坦虽然在狭义相对论中通过对静止参照系与运动中的参照系之间的比较，指出同时性是相对的，但并未把时间与物质世界的复杂演化、发展进程联系起来，也因此无法解决热力学第二定律与生物进化论在时间箭头方向上的根本矛盾。

按照传统的自然观，自然的基本过程是决定论的和可逆的，包含

随机性和不可逆的过程仅被看作是一些例外。但是，“我们正越来越多地觉察到这样的事实，即在所有层次上，从基本粒子到宇宙学，随机性和不可逆性起着越来越大的作用。”[3]对这种不可逆过程的研究，正是重新发现时间的关键。研究表明，在远离平衡态时，系统

的热力学性质与平衡态及近平衡态有本质的不同，在这个区域可以实现从简单到复杂的演化，出现以耗散结构为特征的有序性。这就对时间观念做了重大修正。自然界不再是僵死的、被动的，可逆性与决定论只适用于有限情况，不可逆性与随机性则起着根本作用，自然界必然是一个进化的自然界。科学正在重新发现时间，由此“一种动态的观点已在几乎所有的科学领域中盛行，进化的概念好象成了我们物质世界的核心。”

可见，耗散结构论以其对时间本质的再认识这一切入点的独特性，具有重要的方法论意义。

（二）科学研究的本质——“人与自然的同盟”