耗散结构理论、时间和认识论(一)
（13）耗散结构理论内容介绍
（13）耗散结构理论内容介绍（13）耗散结构理论内容介绍（一）“熵”和“负熵”（二）耗散结构理论的基本内容1 系统的分类：2 热力学第二定律：3 开放系统不遵守热力学第二定律4 负熵：5 第一条内容：开放系统：6 第二条内容：远离平衡态：7 第三条内容：耗散结构中有正反馈存在。
（一）“熵”和“负熵”普里高津的耗散结构理论指出，任何孤立系统都会因为热量的散失，而与环境达到热平衡而失去做功的能力。
在物理学中将这些耗散的热量称为“熵”。
研究发现，对于复杂系统物质来讲，虽然也存在热的散失，但系统并未走向与环境达到热平衡的状态。
相反，复杂系统可以处在远离热平衡的状态不变。
进一步的研究发现，之所以会出现这种现象，是因为复杂系统是个开放系统，它除了向环境排出物质，消耗能量这外，还能不断地从外环境得到物质和能量的补充。
而按照物理学的习惯，这些从外环境得到的物质和能量就被称为“负熵”。
这样，就得出了耗散结构理论的基本内容：（二）耗散结构理论的基本内容复杂系统必须是开放系统，复杂系统要使自己远离平衡点，必须不断从外环境得到物质和能量的补充。
1 系统的分类：孤立系统：与环境既没有物质交换也没有能量交换封闭系统：与环境有能量交换，但没有物质交换开放系统：与环境既有能量交换，也有物质交换因为自然界中，真正的孤立系统实际上是不存在的，所以在实际工作中，人们常将孤立系统与封闭系统两个概念混用。
2 热力学第二定律：任何孤立系统都会因为热量的散失，而与环境达到热平衡而失去做功能的能力。
物理学将散失的热量称为“熵”，这样，热力学第二定律又可表述为：一个孤立系统最终都将达到一个最大熵的热平衡状态。
（宇宙热死）。
3 开放系统不遵守热力学第二定律研究发现对于复杂系统物质来讲，虽然也存在热的散失，但系统并未走向与环境达到热平衡的状态，相反，复杂系统可以处在远离热平衡的状态不变。
研究发现：之所以出现上述现象，是因为复杂系统是一个“开放系统”。
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
耗散结构的有序表现为宏观上的有序, 是一种处于运动变化中的活结构, 体 系的状态和性能都向着优化方向转变, 因此耗散结构具有广泛应用性。
耗散结构理论与地理系统
现代科技革命的巨浪越来越有力地冲击着任何 学科的研究领域。作为基础学科之一的地理学 应浪而起, 不失时机地把诸如“ 老三论” 、 “ 新三论” 等新理论和新方法引入自身的研 究领域。随着“ 新鲜血液” 的不断注入, 地 理学内部产生了两个基本模式: 地理系统论与 建设地理学。 地理系统论把地球表层及其组成部分的概念系 统化为多因素、多级次、多功能、多过程的相 互作用为非加法的开放系统, 系统内所有的自 然、人文地理要素间均存在着错综复杂的有机 联系和非线性作用。
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】。
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。
地理系统是要素间有非线性相互作用的系统
地理系统是一个具有整体性和倏忽性等重要特 性的复杂系统, 因此在地理系统中, 作为输出 能显物质的“ 营养源” 的自然地理系统和作 为输入营养的“ 营养汇” 的人文池理系统之 间相互促进又相互制约, 彼此间存在着极复杂 的非线性相互作用( 反馈、自催化、自组织、 自我复制等) , 同时自然、人文地理系统内部 的各要素间的非线性联系更为密切。
耗散结构论
• 熵变 克劳修斯的热力学熵：热量从高温物体流向低温物体是不可逆的。 克劳修斯引入了熵的概念来描述这种不可逆过程。 一个系统的熵等于该系统在一定过程中所吸收（或耗散）的热量除以 它的绝对温度。可以证明，只要有热量从系统内的高温物体流向低温物 体，系统的熵就会增加： S =∫dQ1/T1+∫dQ2/T2 假设dQ1是高温物体的热增量，T1是其绝对温度； dQ2是低温物体的热增量，T2是其绝对温度， 则：dQ1 = -dQ2，T1>T2 于是上式推演为：S = |∫dQ2/T2|-|∫dQ1/T1| > 0 这种熵增是一个自发的不可逆过程，而总熵变总是大于零。 孤立系统的熵总是趋于增大，也称为熵增原理
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，它指出生 物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，物理学家普利高津创立了“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。
热力学：孤立系统—能量退化 生物学：开放系统—物种进化
退化（克劳修斯）Βιβλιοθήκη 为什么在自 然界中好像 一切都在井 然有序的进 行着呢？
究竟谁的 观点代表 着世界大 系统的发 展方向呢？
862-耗散结构论(Dissipativity Structure Theory)-精品文档
耗散一词，原意是指开放系统与外界进 行的物质、能量、信息的交换运动。耗 散结构则是指远离平衡态的开放系统， 通过耗散运动形成的一种动态稳定的有 序化结构，即由原来混浊无序的状态转 变成一种在空间上、时间上或功能上的 有序状态。
1969年他在国际“理论物理与生物学会议” 上，发表《结构、耗散和生命》一文，提 出了这一理论，受到各国学者的重视。普 利高律由于这一重大贡献，荣获1977年诺 贝尔化学奖。 克劳修斯从热力学第二定律自然增熵原理 出发认为，既然物理过程总是自发地从有 序走向无序，系统的熵是增加的，因而宇 宙的演化是熵增的，最后将达到“热寂”， 即运动停止而毁灭。然而达尔文进化论则 认为，生物的发展是由低级到高级，由简 单到复杂，是朝着由无序向有序方向发展 的。
比利时当代物理学家和化学家普里高津 （I .Prigoging）
Байду номын сангаас
从能量的观点看，自发过程导致能量"品质"的下降。 磨擦生热过程中用率较高的机械能转变为利用率 较低的热能了，这又称为能量的"耗散"。 他们注 意到，就是在无生命界也存在一些自发的宏观有 序现象。例如在晴朗的傍晚，我们有时会看到空 中有一条横贯东西"通衢大道"，两旁鱼鳞状的白云 整齐排列，这叫"云街"；打开松花蛋外壳，琥珀色 半透明的蛋白表面有雪花似的"松花"等等。
１９７８年，普里戈金曾应中国科学院理论物 理研究所的邀请，来我国进行访问和讲学，并热情 地答应为我国培养热力学方面的研究人才，表现了 一位大科学家的胸襟和气度。
热力学第二定律告诉找们，宇宙不是在进化，乃是在 退化之中。曾长期在美国西北大学执教的物理学家贝 克博士（Dr．Edson Peck） 指出：“我们的宇宙中熵 值有增高的倾向”，“我们有充分的理由相信，宇宙 象一个发条逐渐慢下来的大时钟。”暂时逆热力学的 生命现象需要两个必备条件。一是要有蓝图或指令。 这就是在精子和卵子的DNA中所携带的来自父母双方 的遗传基因。在这些基因的调控下，一颗绿豆发芽长 成一株绿豆苗，鸡蛋孵化后成为一只小鸡。第二是要 一个能量转化系统，以供给发育时期所需的能量。光 合作用、消化作用、血液循环和呼吸作用等都是这样 的转化系统。
耗散结构理论
耗散结构耗散结构dissipative structures比利时的普里戈金（I. Prigogine）从研究偏离平衡态热力学系统的输送过程入手，深入讨论离开平衡态不远的非平衡状态的热力学系统的物质、能量输送过程，即流动的过程，以及驱动此过程的热力学力，并对这些流和力的线性关系做出了定量描述，指出非平衡系统（线性区）演化的基本特征是趋向平衡状态，即熵增最小的定态。
这就是关于线性非平衡系统的“最小熵产生定理”，它否定了线性区存在突变的可能性。
普里戈金在非平衡热力学系统的线性区的研究的基础上，又开始探索非平衡热力学系统在非线性区的演化特征。
在研究偏离平衡态热力学系统时发现，当系统离开平衡态的参数达到一定阈值时，系统将会出现“行为临界点”，在越过这种临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态；若将系统推向离平衡态更远的地方，系统可能演化出更多新的稳定有序结构。
普里戈金将这类稳定的有序结构称作“耗散结构”。
从而提出了关于远离平衡状态的非平衡热力学系统的耗散结构理论（1969年）。
耗散结构理论指出，系统从无序状态过渡到这种耗散结构有几个必要条件，一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；二是系统必须是远离平衡状态的，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；三是系统内部不同元素之间存在着非线性相互作用，并且需要不断输入能量来维持。
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而达到有序。
偏离平衡态的开放系统通过涨落，在越过临界点后“自组织”成耗散结构，耗散结构由突变而涌现，其状态是稳定的。
耗散结构理论指出，开放系统在远离平衡状态的情况下可以涌现出新的结构。
地球上的生命体都是远离平衡状态的不平衡的开放系统，它们通过与外界不断地进行物质和能量交换，经自组织而形成一系列的有序结构。
可以认为这就是解释生命过程的热力学现象和生物的进化的热力学理论基础之一。
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。
耗散结构理论
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 （涨落导致 有序，它强调系统中某个微小变化会带来 大的结果性偏差——蝴蝶效应）
系统优化期
各子系统进一步完善，子系统之间开始协调， 促进旅游系统整体效应向着最优方向发展， 系统外部环境发生变化，需求大幅度上升， 需求层次和需求类别也向着多元化发展，适 应外部环境变化，目的地系统开始调整，吸 引物、设施以及服务子系统都是呈现新的特 征，经过近年的建设和发展，千岛湖已成功 的实现转型。
y=f(x+Δx)=a+bΔx+h(Δx)
（1）来自于外部环境的约束和内部的中心 控制是他组织作用的主要形式，其产生的 负熵deS可表示为： deS=f(自然环境、社会经济环境、政策引 导) （2）自组织则来自系统内部要素的作用， 其自组织作用产生的负熵deS为： deS=f(供需关系、人地关系、区域协调度、 利益主体)
要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几 个概念： （1）远离平衡态 （2）非线性 （3）开放系统 （4）涨落 （5）突变
远离平衡态
是相对于平衡态和近平衡态而言的。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 近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线 性区 远离平衡态是指系统内可测的物理性 质极不均匀的状态正如耗散结构理论所指 出的，系统走向一个宏观上有序的状态 (非 平衡态是有序之源）
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 来的状态失去了稳定性，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 在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。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
学术研究中的耗散结构理论
学术研究中的耗散结构理论一、引言耗散结构理论是一种现代系统科学理论，它描述了一个远离平衡态的开放系统在内外因素作用下通过不断与外界交换能量和物质，逐渐形成有序结构的机理和过程。
这一理论在许多领域都有广泛的应用，特别是在自然科学和社会科学领域。
本文将就耗散结构理论在学术研究中的应用进行探讨。
二、耗散结构理论的基本概念耗散结构理论的主要观点是，一个远离热力学平衡态的开放系统，在一定条件下，通过不断与外界交换物质和能量，可以在系统内部产生新的有序结构。
这种有序结构的产生依赖于系统的不断变化和演进，同时也受到外部环境的影响。
耗散结构理论的四个基本要素包括：1.一个远离平衡态的开放系统；2.涨落是系统从混沌到有序的关键因素；3.系统通过与外界交换物质和能量来维持自身的稳定性；4.系统达到临界态后，出现有序结构的可能性大大增加。
三、耗散结构理论在学术研究中的应用1.学科发展研究：学科发展是一个动态的过程，涉及到诸多因素。
耗散结构理论可以用来解释学科发展的内在机制。
例如，一门学科在形成初期，由于缺乏足够的积累和规范，往往是混沌无序的。
随着时间的推移，学科不断与外界交流和吸收新的知识，逐渐形成自身的特点和规范，最终形成具有特定结构和功能的学科体系。
在这个过程中，学科内部的涨落和外部环境的影响起着重要的作用。
2.学术生态系统研究：学术生态系统是一个复杂而开放的体系，各种学术资源、学者、机构等元素之间相互作用、相互影响。
通过运用耗散结构理论，我们可以更好地理解学术生态系统的运行机制和演化过程。
在这个系统中，不断有新的元素加入，也有旧的元素退出，这些变化会引发系统内部的涨落。
当系统处于远离平衡态时，新的元素更容易被纳入到系统中来，而那些处于平衡态的元素则更容易被淘汰。
因此，一个健康的学术生态系统必须保持开放和动态变化，以适应环境的变化和自身的发展。
3.知识管理研究：知识管理是学术研究的重要领域之一。
耗散结构理论可以为知识管理提供新的视角和方法。
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。
耗散结构论
四、 耗散结构理论反映的现象和启发
反映了时间的单向性，解释了扩散、化学反应和生命存在一类不可逆现象。
最适合白领人群阅读的资讯精选,青年论坛在耗散结构系统中，标致和衡量不可逆过程的真实的时间也就只能是单向延续的。时间与历史过程相联系，不可能对称反演，它不再是系统运动的外界参数，而成为非平衡世界中事物进化的内部参量。
第三、非线性作用是有序的动力
非线性作用是指复杂系统中要素内存在的相互作用的方式，用以描述这种相互作用方式的数学方程式是非线性微分方程。不能简化为线性主部与无穷小量的和，无穷小量不能被简单地忽略。由于它具有不独立的相干性（时间的不对称性和元素的不均匀性等特点）。随着时间、地点和条件的不同，显示出不同的相互作用、方式和不同的效应，导致对象在时间支配与从属、催化与被催化、控制与反馈等形成复杂的多维关系。其中不存在主要矛盾或矛盾的主要方面，元素之间不存在从属和被动的因果关系。社会系统是一个非线性作用的系统，因而也不能统一在中央集权的统治下面，围绕中心运转。封建统治者不明此理，到头来一次次白化力气徒劳无功，本想树立个人权威却反而枉在历史上为人耻笑。
耗散结构论
上世纪六十年代继系统理论以后，又出现了耗散结构论、协同论和突变论，进一步探讨系统有序化的不同途径，人们称之为新三论。其中，耗散结构论诞生最早，着重从非平衡态和开放系统两方面，来论证系统有序性增加的原因，它在新三论中具有首要地位，我们在这里加以介绍讨论。
耗散结构论诞生产生的历史背景
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。
耗散结构理论-20121228
耗散结构理论
2012
主要内容
耗散结构理论的简介
耗散结构理论的意义
耗散结构理论的应用 参考文献
简介
耗散结构理论—— 研究耗散结构的性质及其形成、 稳定和演变规律的理论。
在1969年“理论物理学和生物学” 的国际会议上发表的《结构、耗散 和生命》的论文中正式提出。 创始人prigogine教授，由于对非平 衡热力学尤其是在建立耗散结构理 论方面的贡献，荣获了1977年诺贝 尔化学奖。
应用2
在平衡点O 附近做线性稳定性分析， 模型（1）化简为：
应用2
综上所述，电力市场发展演化系统的只有在 N > 0时候才会 出现失稳情况，那么只要通过调整和控制 N 中的参数，使得 N > 0 ，就能够使得系统出现失稳情况，向耗散结构过渡。
应用3
新耗散结构理论在气象上的应 用——熵气象学
贝纳德对流原型
Llya prigogine (伊里亚· 普里高津)
简介
概
念
耗散结构是相对于平衡结构而言的。
prigogine指出：一个远离平衡的开放系统，只要通过不断与 外界交换物质和能量，当外界条件的变化达到一定范围时， 就有可能从原来的混沌无序状态转变成在时间上、空间上或 功能上的有序状态。这种在远离平衡时形成的、靠不断的耗 散外界的物质和能量来维持的、新的有序结构，叫做耗散结 构。 一个系统这样自行地产生组织性和相干性的现象,被称为“自 组织现象”,故耗散结构理论又被称为“非平衡系统的自组织 理论”。
高等工程热力学 第六讲-耗散结构理论PPT课件
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。
第一节 耗散结构理论
第一节 耗散结构理论
(4)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。
第一节 耗散结构理论
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。
一 生命系统是耗散结构系统
人和动物在出生、成长、衰老、死亡；植物在出苗、 开花、结果、枯萎……随着时间的流逝，自然界在发 生着丰富多彩却一去不复返的变化。长期以来，人类 搞清了许多复杂的自然现象，但对人体本身的变化却 一直迷惑不解；人体从细胞到胚胎，通过不断提取营 养（大都是无序的小分子）变成了大分子有序的蛋白 质，这是一个从无序到有序的过程。食物中杂乱无序 的小分子物质是怎样构成了耳朵、鼻子、眼睛、四肢 等高度对称的、结构上有序、思维有序、功能有序的 人体呢？
第二节 生命与生态环境
二 维持生命活动负熵流
物质（碳水化
合物、净水）
生
能量（化学能）
命
物质（排泄物） 能量（热和功）
耗散结构理论
耗散结构理论耗散结构理论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。
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。
耗散结构理论
产生耗散结构，除了要求一个远离平衡态的系统从外界吸收负熵流以外，还需要系统内部各个要素之间存在着非线性的相互作用。这种相互作用会使系统产生协同作用和相干效应，通过随机的涨落，系统就会从无序转为有序。反之，如果系统处于平衡或近平衡态，则涨落是破坏系统有序的因素，它会使系统向无序方向发展。
这样，耗散结构论把物理学推进到非平衡态热力学的发展阶段，实现了知识从动力学向热力学、从热力学到生物学的过渡。
从近代科学以存在的、被组织的眼光看待自然，到以演化的、自组织的眼光看待自然，是一次重要的科学革命，它标志着科学研究重心的转移。其中，耗散结构论是这一转移的典型代表。这包括以下两个方面：
一方面，从整个科学的发展历程看，普利高津冲破了关于孤立系统、封闭系统的习惯思维的束缚，从有关开放系统的研究入手，并根据热力学第二定律，讨论了自然界的发展方向问题。在19世纪，关于自然界的发展方向有两种对立的观点。克劳修斯认为，自然界的发展是从有序到无序，从复杂到简单，最后达到宇宙“热寂”的退化过程。达尔文则认为，生命从单细胞到人类的发展是从无序到有序、从简单到复杂的进化过程。从现象上看，生命世界和物理世界似乎有着完全不同的规律和发展方向，这就产生了热力学和进化论的矛盾。耗散结构理论指出，一个开放系统通过与外界交换物质和能量，可以从外界吸收负熵流抵消自身的熵产生，使系统的总熵保持不变或逐步减少，实现从无序向有序的转化，从而形成并维持一个低熵的非平衡态的有序结构。这就表明，自然界中两种相反的发展方向可以在不同条件下存在于同一个总过程之中，并在这个意义上解决了进化与退化的矛盾。
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耗散结构理论、时间和认识论(一)摘要：本文讨论了普里戈金创立耗散结构理论、对不可逆时间探讨引起的几个认识论问题：认识与生命特征相联系；人既是参与者又是观测者；动力学描述和热力学描述，不可逆与可观测；科学认识发展中的共鸣与涨落放大；以及自然观和科学认识论的关系。
关键词：耗散结构时间认识论自然观耗散结构理论的创建者普里戈金对时间的新探索，不仅具有自然观上的重要意义，而且具有科学认识论上的重要意义。
一、时间对称破缺：认识与生命特征相联系时间，是一个基本的哲学范畴，也是一个基本的科学范畴。
它与科学思想的演进密切相联系，也与认识论的发展密切相联系。
在经典科学的可逆的钟表时间观支配下，自然界被描述成一个量的世界、几何的世界，自然界是钟表，动物是机器，人只不过是更精妙的高级的会学习的机器。
那时代的一部分思想家提出，学习是从感觉经验中来的，除了感觉经验之外，一切都不可知。
另一部分时代思想家则认为，这台机器中已先天地装有某种概念程序，从而可以接纳跟这种内存程序相容的东西。
康德则明确提出了“先验时间”是认识得以发生、发展的一个基本前提。
进入19世纪，终于出现一系列关于自然演化的理论。
热力学第二定律，把不可逆的演化、时间之矢问题提到了醒目地位。
在普里戈金看来，20世纪以来的一系列科学进展，特别是基本粒子的不稳定性的发现，现代宇宙学演化观念的发展，以及非平衡成为有序性的基本因素的发现，都标志着时间的再发现。
所谓的时间的再发现即时间对称破缺、不可逆性作为自然界的一种建设性因素的发现，这标志着一种新的科学认识论观点的产生。
在对时间的新探索中，普里戈金导出了一个内部时间。
一个系统的内部时间本质上不同于从钟表上读出的外部时间，但其与某个态相联系的平均“年龄”与钟表上读出的时间的数量相同。
一旦得到了内部时间，就有一个时间对称破缺变换，从而把热力学第二定律表述为一个选择原则。
当普里戈金以“更带有认识论色彩的说明”来阐述上述科学发现的意义时，他认为：“测量过程相应于人与其周围世界相互作用的一种特殊形式。
要对这种相互作用进行更为详细的分析，必须考虑到，活的系统，包括人，有一个破缺的时间对称性。
”“时间不仅仅是我们内部经验的一个基本的成分和理解人类历史（无论是在个别人，还是在社会的水平上）的关键，而且也是我们认识自然的关键。
”（〔1〕，pp.209—214）当然，“这并不是说，我们必须恢复主观主义的科学观；而是说，在某种意义上，我们必须把认识与生命联系起来。
”（〔1〕，p.5）从相对论、控制论到宇宙学，都接触到了时间的对称破缺，不可逆性对于科学认识和认识论的意义。
相对论中，时间与认识有关；爱因斯坦还注意到：如同拍电报那样，“这里重要的是，发送信号在热力学意义上是一个不可逆的过程，是一个同熵的增大有关的过程（然而，按照我们现在的知识，一切基元过程都是可逆的）。
”2]维纳写道：“能够和我们通信的任何世界，其时间方向和我们相同。
”（〔3〕，p.35）霍金试图论证热力学时间箭头、心理学时间箭头和宇宙学时间箭头的一致性，他写道：“我们必须按熵增加的次序记住事物。
”4]普里戈金通过耗散结构理论的新成就，比较深入地探讨这一问题。
他认为，热力学第一定律表述为一个选择原则表明，时间对称破缺意味着存在着一个熵垒，即存在不允许时间反演不变的态。
如同相对论中光垒限制了信号的传播速度一样，熵垒的存在则是通信有意义所必需的。
无限大的熵垒保证了时间方向的唯一性，即保证了生命与自然的一致性，使认识成为可能。
换言之，人之所以能认识世界，是因为天人相通、人跟世界的时间之矢一致。
生命系统是耗散自组织系统，是有内在生命节律的过程系统。
生命即使是最简单的单细胞生物，也正是借助这种内在的生命节律机制，从而内在的对时间有方向性感觉。
对时间方向性的理解，随着生物组织水平的提高而提高，很可能是在人的意识中达到最高点。
而且，耗散自组织系统具有历史和分叉，通过某种滞后返回时表现出某种对历史的“记忆”。
从认识的角度看，这些也正是主体能够认识客体、主观时间得以反映客观时间的物质过程基础。
没有这种基础，那么，如同白板说终将导致不可知、而先验论只能停留在认识此岸一样，认识论就无法解决认识发生问题。
康德正确地指出了时间对于认识发生的重要意义，但他采取的是经典科学的时空观，只能把它说成“先验形式”，停留在认识的此岸。
玻尔在思考认识的发生问题时强调，存在一些原始概念，这些概念并不能认为是先验的，但是每种描述都必须被表明是和这些原始概念的存在相容的。
普里戈金认为：“生命系统具有对时间方向性的感觉……就是上述‘原始概念’中的一种。
没有它，任何科学，不论是关于动力学中可逆时间行为的科学，还是关于不可逆过程的科学，都是不可能的。
因此，耗散结构理论最使人感兴趣的方面之一就是：我们现在能在物理学和化学的基础上发现这个时间方向性的根源。
这个发现反过来又以自洽的方式证明我们认为自己所具有的对时间的感觉是合理的。
”（〔1〕，p.6）普里戈金对时间、生命和认识关系的见解，有助于进一步深化我们对时间范畴的本质和科学认识论的探讨。
二、人在自然之中：既是参与者又是观测者主体和客体是认识论的一对基本范畴，也是科学认识论的一对基本范畴，主客体关系是规定科学认识的各种关系中的基本关系，并构成科学认识的基本内容。
现代科学的发展，不再如同经典科学那样试图把物质世界描述成一个我们不属于其中的分析对象，即不再认为科学认识中主体完全可以与客体分离、可以超然于客观世界之上。
在相对论中，光速是一切信号传播的极限速度。
这里意味着认识主体在认识客观世界时可以利用的资源是受到约束的，因而认识者是处于被认识的世界之中来认识世界的。
普里戈金认为，这个事实赋予物理学以一个“人类学”性质，但是这并非意味着它是一种“主观的”物理学、是我们的偏爱和信念的结果，而是带来一种把我们认作是我们所描述的物理世界的一部分的内在约束，我们对自然的认识仅仅当它是来自自然之内时才会成功。
在普里戈金看来，量子力学更彻底地动摇了经典物理学基础，更尖锐地涉及到主客体关系问题。
按照量子公设，观测过程是一个微观客体同测量仪器相互作用的、不可分割的整体过程，观测的现象是一个完整不可分的现象，然而观测过程同理论分析的目的又要求把被观测的客体和观测仪器区分开来。
从不可分的现象中得出不依赖于认识主体又不依赖于认识手段的关于客体的知识是否可能，成为量子理论面临的困难，涉及到深刻的科学认识论问题。
对此，玻尔以著名的“互补原理”作出一种认识论概括。
普里戈金也认为：即使在物理学里，也象在社会学里一样，用玻尔的名言来说，我们“既是观众又是演员”。
结合自己的科学探索，普里戈金进一步提出了内在包含“历史因素”的一个科学认识模式。
这一模式认为，人——作为嵌入物理世界的宏观存在物，他反映物理世界的过程可以概括为：观察者─────→动力学（区分将来与过去）↓↑不可逆性│↓时间对称的破缺←────耗散结构普里戈金认为，这个认识模式跟皮亚杰的发生认识论是相通的。
他同意皮亚杰的观点：认识既不是先天预成的，也不仅仅是环境单向作用的结果，而是循环往复的主客体相互作用的建构过程；主体的认知结构产生于一种有效的内部结构，经过主体对客体的同化和顺应而逐渐建立起来。
按照这个模式：观察者，作为一个有生命的体系，即一个开放的极其复杂的自组织系统，他能够推断将来和过去的区别。
他测量坐标和动量并研究它们随时间的变化，这就使他发现不稳定的动态系统以及其他内在随机性和内在不可逆性的概念。
一旦有了内在不可逆性和熵，就遇上了远离平衡系统中的耗散结构，就能理解观察者的时间定向的认识活动。
实际上，当把这一模式跟科学发展联系起来时，这个模式又是对科学发展的一种认识论概括，即科学首先认识到经典动力学，进而认识到不可逆性，正是在这个基础上才发展到对耗散结构的认识，从而重新发现了对称破缺的不可逆时间，于是引起了科学图景、科学方法和科学认识论的转变，形成了新的科学观念。
在普里戈金看来，这不是从逻辑上导出的结论，而是考虑了人作为一个远离平衡世界中的宏观存在物，是一个远离平衡的宇宙这个“宇宙学事实”的结果。
“而且这个模式的根本特点在于它不对描述的任何基本方式作什么假定，每一个描述层次都隐含着另一个层次，也被另一个所隐含。
我们需要的是多层次，它们都联系在一起，任何一个都不要求突出。
”（〔5〕，p.358）现代科学表明，这至少是一个3层次的描述。
第一层次是经典动力学层次。
在时间可逆的意义上，量子论也属于这一层次。
第二层次是由热力学特别是热力学第二定律所表述的过程或不可逆层次。
第三层次是可以成为相干进化系统或耗散自组织层次。
而且，各层次并非截然割裂。
恰恰相反，它已把某种统一的特点带进了自然科学、首先是物理学之中。
这几个层次不能互相归结，但是互相影响。
活的有机体是远离平衡的耗散自组织系统，这就决定了我们的认识是一种系统与环境的相互作用，决非是一种机械的反映。
而且，我们始于宏观级别的描述，对外界的认识、测量结果，特别是譬如对微观世界的测量和认识，都会在某点反过来影响我们的宏观级别的描述，因此不同级别的认识是互相影响的。
近代科学以超然于自然的态度来理解自然，力图把自然归结为简单的、由少数几个“永恒”定律统治着的、只有量的差别的抽象世界，认为局部分析就正好反映了这整个世界，人的认识也因此一蹴而就。
而现代科学揭示出人是嵌入自然界来认识自然的，自然界整体上是一个复杂的、多层次的、不断演化的、质上千差万别的现实世界，人们对自然局部的、某个层次的有选择的探索并不能穷尽整个世界，人的认识不可能一劳永逸，亦是历史演化着的。
总之，经典的客观性已成昨日黄花，主观主义的科学观也不可取，只有把不可逆观点即演化发展的观点彻底贯穿在科学活动中才能真正理解人——既是参与者又是观测者——的科学认识，从而才能既坚持认识的客观源泉又高度重视主观和客观、主体和客体的相互作用。
三、科学观测：动力学描述和热力学描述，不可逆与可观测科学观测是科学认识中涉及主客体关系的一个重要问题，从近代科学到现代科学，人们对科学观测的理解发生了深刻的变化。
经典动力学描述了一幅轨道的、可逆的世界图景，其中初始条件可以任意规定，任何状态都可以达到；轨道一旦给定了，就永远给定了。
任何事物都是给定的，同时任何事物也是可能的。
于是，一切都是确定不移、秩序井然的，一切都是可观测的、可知的。
拉普拉斯精灵，成为动力学描述外推的一个重要的标志。
随着热力学的兴起，出现了热力学的不可逆图景与动力学的可逆图景冲突。
玻耳兹曼试图把轨道物理学扩展到包括热力学描述的情景，运用概率方法实现从热力学平衡态的微观层次向宏观层次过渡来协调这种冲突。
他的重要结果是，熵的不可逆性的增加会逐渐忘记任何初始非对称性，总是趋向于概率的增加。