耗散结构与自组织现象
耗散结构、自组织与制度耦合 - 中国国有经济研究中心
耗散结构、自组织与制度耦合——入世后国企制度变迁障碍及发展趋向的演进经济学解释徐传谌李松涛闫敏（吉林大学中国国有经济研究中心吉林长春130012）内容摘要：以进化经济学的观点来看，我国国有企业制度变迁的动态过程是国有企业组织从有序到无序再到有序、从低级有序到高级有序的过程。
传统体制下，特殊的制度供给体系使国有企业组织成为一种处在线性非平衡态的系统，是一种低级有序状态，随着熵增的不断出现，物质和能量也会遭到越来越多的无用耗散，直至系统到达最大熵时的最无序状态而趋于“死寂”。
入世后，我国国有企业改革的趋向就是要在较低的制度耦合成本下，打破原有秩序，通过与外界不断交换物质、能量和信息，引入负熵流，提供一种高效的非线性作用机制，从而使市场中的国有企业形成类“耗散结构”的自组织系统，完成不发达经济系统向发达经济系统的跃迁。
关键词：结构耗散自组织制度耦合制度变迁一、引言一个国家的基础制度安排、制度结构、制度框架、制度环境和制度走向影响，决定了它的经济绩效。
因此，研究制度及制度变迁便成为破译经济增长秘密的首要选择。
在新古典的“需求——供给”框架下采用均衡分析方法展开的早期的制度变迁理论，由于他们所用的数学工具微积分无法处理事件的不可逆和系统的非线性，因而局限于静止的线性的世界中，缺乏对历史、现实经济现象的阐释力。
直到纳入了制度变迁过程中的产权、国家和意识形态变量，跳出了新古典传统禁锢的后期制度变迁理论，不局限于均衡分析、静态或比较静态分析,认识到制度演化过程的动态性，通过对新古典经济学的修正和发展，“踏上了一条把制度变迁看作是进化的、路径依赖的更靠近旧制度学派的道路，”[1]才激活了其理论生命力。
演化经济学就是随着对新古典经济学的反思与批判而在西方经济学理论中发展起来的一个新理论分支。
随着混沌理论、自组织理论以及非线性动力学等非主流分析工具在演化经济模型中的不断涌现，在新古典经济学中引进制度和时间维度，从而克服了新古典经济学的基本分析工具——最优适应性、单一均衡及代表性个体行为对解释经济和制度变迁的局限性，在短期均衡分析和长期历史分析之间架起一座动态分析的桥梁，大大丰富了制度变迁理论研究的工具选择，增强了其理论解释力。
耗散结构简介
耗散结构简介1自组织现象热力学第二定律说明了孤立系统中进行的自然过程有方向性：有序→无序（退化，克劳修斯提出）自然界实际上也存在许多相反的过程：无序→有序（进化，达尔文提出）一个系统由无序变为有序的自然现象称为自组织现象。
例1：生命过程中的自组织现象（1）蛋白质大分子链由几十种类型的成千上万个氨基酸分子按一定的规律排列起来组成。
大脑是 150 亿个神经细胞有规律排列组成的极精密极有序的系统，是一切计算机所替代不了的。
—— 如看一张相片，分辨男？女？大约年龄？对带有输入“器官 —— 眼睛”的大脑是很简单的事情，对计算机来说就非常复杂了。
假定蛋白质是随机形成的，而且每一种排列有相等的概率，那么即使每秒进行 100 次排列，也要经过 10109亿年才能出现一次特殊的排列。
这种有组织的排列决不是随机形成的（2）树叶有规则的形状；动物毛皮有花纹，蜜蜂窝；龟背（空间有序）（3）候鸟的迁移；中华鲟的徊游（时间有序）例2、无生命世界的自组织现象（1）六角形的雪花；（2）鱼鳞状的云；（3）激光（4）贝纳特现象（Benard）当ΔT = T2 - T1 = 0 时平衡态当ΔT > 0 但不太大时，稳定的非平衡态 —— 单纯热传导当ΔT > T c时，出现有序的宏观对流。
千千万万的分子被组织起来，参加一定方式的宏观定向运动，能量得以更有效的传递。
自组织现象是与热力学第二定律的 有序 → 无序 时间箭头相矛盾的！要将它们用物理学规律统一起来，必须抓住孤立系统与开放系统的区别。
2、开放系统的熵变热力学第二定律：孤立系统中发生的过程 ΔS > 0；但对一个开放系统，熵有可能减少！开放系统：与外界有能量交换（通过作功、传热）或物质交换的系统。
2、1 理论上的可逆过程状态 1 到状态 2 熵的增量()()21dQS T Δ=∫ (可逆)对孤立系统：因绝热 ΔS = 0，熵不变对开放系统：若单调吸热 d Q > 0，ΔS > 0 熵增加；若单调放热 d Q < 0， ΔS < 0 熵减少。
普里戈金IlyaPrigogine耗散结构理论自然辩证法自然辩证法自然
自会聚
自创生
自然辩证法自然辩证法自然辩证法自然 （三）自组织理论的产生与发展
1.普里戈金(Ilya Prigogine) 耗散结构理论
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，称之为“耗散结构” 。
自然辩证法自然辩证法自然辩证法自然
1、普里戈金(Ilya Prigogine) 耗散结构理论 • 耗散结构的特征：
自然辩证法自然辩证法自然辩证法自然
第四章
自然界的自组织
一、自组织的概念
二、产生自组织的条件
三、自组织演化的内在根据
自然辩证法自然辩证法自然辩证法自然
世界的自组织现象
2.生命世界的自组织现象
•贝纳德对流现象
自然辩证法自然辩证法自然辩证法自然 一、自组织的概念
（一）系统的开放性（必要条件） （二）远离平衡态 （三）非线性机制
自然辩证法自然辩证法自然辩证法自然
三、自组织演化的内在根据
（一）涨落 1.涨落的含义 在系统中，由于微观粒子的运动过 程不可能被完全控制，系统每一时刻的 实际物理量并不完全等于它的平均值， 或多或少会有些偏离。 2.涨落的作用 3.涨落的三种情况
自然辩证法自然辩证法自然辩证法自然 三、自组织演化的内在根据
（二）竞争和协同 1.竞争的含义 在系统内各要素之间相互争夺，力 图取得支配和主导地位的活动与过程。 2.竞争的特点 3.协同的含义 指系统中各子系统或各要素之间的 联结、协调与同步的行为。 4.竞争和协同的关系
自然辩证法自然辩证法自然辩证法自然 三、自组织演化的内在根据
(1)远离平衡态 (2)非线性 (3)开放系统 (4)涨落 (5)突变
耗散结构理论及应用
的“巨涨落”,从而导致体系发生突变,形成一种新的
稳定有序状态, 即所谓“涨落导致有序” 。
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
开放系 统
随机 涨落
耗散 结构
远离平 衡态
非线性
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
系统必须远离平衡态，才有可能 形成新的稳定有序结构。
远离平 衡态
耗散结构的应用
哲学 经济 社会 物理 化学 生物 地质 教育
来的状态进入更加有序的状态。开放系统存在着由无序向有序演化的
可能性，从而使体系走向具有生机活力的耗散结构。
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
开放 开放系 统 系统
随机 涨落
耗散 结构
远离平 衡态
非线性
耗散结构与其主要特征
体系处于非平衡态 , 其内部必有“流”和“势”存在着的宏 观动力学过程。从数学上来看 ,一个动力学过程可用一组微分方 程来描述 。
合技术中的快速反应; 机械合金化、超声处理中的强制反应; 激光
耗散结构的应用
企业管理中的应用 开放性 企业的发展过程都在与外界发生物质、信息的交换，如采 购、营销等。
远离平衡态 比如企业发展中推行的“裁员增效”、“竞争上岗机制”。
涨落 营销管理中某一微小的变化会带来结果性偏差。 非线性 企业运行与盈利方式等很多都是非线性的
宏观上 有序 运动变化 中的
T2
“死”结 构
“活”结 构
T1
耗散结构与其主要特征
耗散结构的特性
开放 系统
随机 涨落
耗散 结构
远离平 衡态
非线性
耗散结构与其主要特征
开放 系统 对开放系统，熵流 des视外界边作用不同，可以大于、等于、小于
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。
1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
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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展开
编辑本段
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
已不是简单的线性关系，有它自己特有的规律。
例如，贝纳德实验中 T TC 时的情形。 这时,就有可能出现自组织现象。
下面用图线来表示以上的三种情况：
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表 征
定X
态 的 某 个 参 量
平
衡 态
X0 •
分叉现象
偏离平衡 的线性区
耗散结构理论在近年来有了很大的发展, 而且 在实践中已经运用。
美国有人研究东西部 人口的空间分布规律；
21
加拿大有人研究捕鱼的最佳方案；
荷兰有人研究能源的最低消耗方案
定量的研究要提出物理模型,建立数学模型,
然后再解相应的微分方程组。
如果我们能弄清自组织现象的规律, 自觉控
制一些参数, 使事物 (有生命,无生命，自然界,
稳定的
热力学分支
(a)
C
远离平衡的非线性区
稳定的
(C )
耗散结构分支
不稳定的
(b)
热力学分支
稳定的
(C )
耗散结构分支
（稳定的非平衡态）（对应某种时空有序状态）
λ0
λC
λ
控制参1量4
非平衡的不稳定态在一个细小的扰动下，就 可以引起系统状态的突变，状态离开（b）线 沿着另外两个稳定的分叉（c）,或（c’）发展， 这称为分叉现象。
即系统经历任何一个过程后，其熵变永远不会 小于熵流 ── 热力学第二定律的普遍形 四.远离平式衡。态的分叉现象
1.平衡态热力学（经典热力学）
主要研究平衡态的性质。
例如,贝纳德实验中 T = 0 的情形。
11
2.线性非平衡态热力学(近平衡态热力学） 偏离平衡态很小的系统称为近平衡系统。
自组织理论概览
自组织理论概览【生命都是需要新陈代谢的，都是开放的系统，也都是典型的耗散结构。
热力学第二定律是封闭系统的规律，避免熵死的方法之一就是建立耗散结构。
】【熵增原理与耗散系统一个封闭的系统，总是倾向于无序状态的最大化。
这就是热力学第二定律（熵增原理）。
熵是什么？熵，是事物无序状态的量度！对于企业组织来说，熵增原理意味着企业总是趋向于效率下降、能力丧失、崩溃瓦解。
良好的企业管理，就在于构建一个符合“耗散结构理论”的管理系统。
“耗散结构理论”是比利时理论物理学家、1977年诺贝尔化学奖得主普利高津，在1967年提出的。
按照耗散结构理论，一个熵减的系统，需要满足：1.开放；2.远离平衡；3.非线性。
封闭没有发展，平衡也没有发展，这是耗散结构理论的基本结论。
耗散结构理论认为，一个远离平衡的、非线性的、开放系统（不论它是物理、化学的，还是生物学、生态学的，乃至是社会、经济或精神的），只有通过与环境进行物质、能量和信息的交换，在耗散过程中产生负熵流，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，即产生非平衡相变，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，才有可能自组织起来，从无序走向有序，形成具有一定组织和秩序的动态结构。
】一般来说，组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。
德国理论物理学家H.Haken认为，从组织的进化形式来看，可以把它分为两类：他组织和自组织。
如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织；如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。
自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。
一个系统自组织功能愈强，其保持和产生新功能的能力也就愈强。
例如，人类社会比动物界自组织能力强，人类社会比动物界的功能就高级多了。
自组织理论的主要部分它主要有三个部分组成：耗散结构理论（Dissipative Structure）、协同学（Synergertios）、突变论（Calastrophe Theory），但基本思想和理论内核可以完全由耗散结构理论和协同学给出。
第一章(五)-耗散结构理论
1.4 系统演化形式：自组织耗散结构理论（Dissipative structure）1.问题的提出墨水滴在一杯清水中可自动扩散——不能反过来由均匀的溶液自动凝成墨水。
摩擦自动生热，热不能自动产生摩擦。
这表明根据热力学第二定律，任何自发的物理和化学过程总是导至熵的增加，即无序度的增加。
相反的现象：生物界，社会进化的结果导至物种增多，功能结构复杂，即有序度的增加。
无生物中的利色根环（胶体化学中的周期沉淀），将碘化钾溶液加到含硝酸银的胶化介质中可形成碘化银沉淀，有规则间隔的带状或环状分布。
贝纳德花纹，流体力学中，如果从下面加热某一流体薄层，起初只有热传导存在，当流体中的温度梯度高于某一临界值时，原来静止的流体中会出现许多规则的六角形对流格子。
扎鲍廷斯基花纹：1958年苏生物物理学家别洛索夫在某些金属离子催化剂（例如三价铈离子）存在的情况下进行某些有机酸（例如丙二酸）的溴酸氧化，别氏发现在一定条件下某些组分（例如铈离子）的浓度会随时间变化造成反应液的颜色有规则地周期变化（称为化学钟），扎鲍廷斯基继续并改进了别洛索夫实验，他发现在某些条件下某些组分的浓度分布变得不均匀，形成许多漂亮的花纹。
上述生命和无生命现象表明在宇宙中存在着两种相反的演进方向：一种趋向于无序；一种趋向有序。
究竟这是为什么？在什么条件下发展过程趋向无序的增加和结构破坏。
在什么条件下发展过程可经受突变，导致结构的形成和有序的增加。
在二十世纪六十年代以比利时物理学家兼化学家普利高津为首的布鲁塞尔学派提出了耗散结构理论。
（1969）2．什么是耗散结构？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机制而形成和维持的宏观有序结构，称为耗散结构。
耗散结构理论的要点：孤立系统：与外界无物质能量和信息交换封闭系统：无物质有能量信息交换开放系统：有物质能量信息交换2.1为什么只有在开放条件下才可能由无序到有序？孤立系统因不能与外界交换物质能量信息所以只能按热力学第二定律自动地走向无序化；封闭系统只能在低温条件下形成死的有序结构的晶体。
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。
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。
耗散结构特征
耗散结构特征耗散结构是一种自然界和人工系统中普遍存在的现象，它具有一些独特的特征和作用。
耗散结构可以理解为一个开放的系统，其内部和外部之间存在能量和物质的交换，从而使系统能够维持和发展。
耗散结构具有自组织性。
自组织是指系统内部的各个部分能够通过相互作用和调整而形成有序的结构和行为。
在耗散结构中，系统通过与环境的能量和物质的交换，不断进行自我调整和适应，从而实现有序的运行。
一个典型的例子是人体。
人体内部的各个器官和系统通过相互作用和调节，形成了一个复杂而有序的整体，实现了生命活动的持续进行。
耗散结构具有非线性特性。
非线性是指系统的输出与输入之间的关系不是简单的比例关系。
在耗散结构中，系统的行为往往是非线性的，即系统对输入的微小变化会引起输出的巨大变化。
这种非线性特性使得系统具有了复杂的动力学行为。
一个经典的例子是“蝴蝶效应”，即一个微小的初始条件的变化可能会在系统中产生巨大的效应。
耗散结构具有开放性。
开放性是指系统与外部环境之间存在能量和物质的交换。
在耗散结构中，系统通过与环境的交互，获得能量和物质，并将其转化为内部的结构和行为。
开放性使得系统能够不断吸收新的信息和资源，从而保持系统的活力和多样性。
一个典型的例子是生态系统。
生态系统中的各个物种通过相互作用和适应，形成了一个复杂而稳定的生态链，实现了物质和能量的循环和利用。
耗散结构具有自我维持和自我增殖的能力。
自我维持是指系统能够通过自身的调节和适应，保持其结构和功能的稳定性。
自我增殖是指系统能够通过吸收外部的能量和物质，实现自身的增长和发展。
耗散结构具有这种自我维持和自我增殖的能力，使得系统能够不断适应和演化，实现其内部和外部之间的协调和平衡。
耗散结构是自然界和人工系统中普遍存在的现象，具有自组织性、非线性特性、开放性和自我维持和自我增殖的能力。
耗散结构的研究和应用在许多领域具有重要的意义，如生态学、物理学、化学、生物学、社会科学等。
通过深入理解和利用耗散结构的特征和作用，可以推动科学和技术的发展，实现社会和经济的可持续发展。
生活中耗散结构的例子
生活中耗散结构的例子生活中存在很多耗散结构的例子，下面给出几个比较典型的例子。
1.自我组织的人群行为自我组织是一个集合了生活中多个耗散结构的复杂系统。
例如，大规模的人群行为，如音乐会、运动比赛、集会等，通常具有一种自组织的特征。
在这些活动中，参与者会形成一种动态的、相互协调的行为模式，虽然每个人的行为是根据个体决策做出的，但整个系统呈现出有序和连贯的特征。
这种自组织行为源于人与人之间的信息传递和相互作用，展示出耗散结构的特征。
2.火焰的自维持结构火焰是典型的耗散结构，在火焰的内部存在着物质和能量的耗散和再生过程。
在火焰中，可燃物质和氧气进行燃烧，产生热能和光能。
这些能量在火焰中以非线性方式传导和扩散，形成种种独特的形态和结构。
火焰具有自维持的特性，它会维持一定的温度和能量，并通过空气中的氧气供应和燃料的输入来保持燃烧过程。
火焰的自维持结构是由能量、物质和信息的流动所维持的一个动态平衡状态。
3.风暴系统风暴系统是地球气候系统中的一个典型例子。
风暴是由大气中潜热和动能的转换过程驱动的复杂系统。
在风暴中，阳光照射地面使得地表温度升高，从而加热了地表的空气，使其膨胀、上升。
随着空气的上升，水汽凝结并释放出大量潜热，进一步加热并加速空气的上升。
这种正反馈过程导致了风暴云体的形成和持续存在。
风暴系统中的耗散结构通过能量和物质的流动来维持，同时造成了大气的动荡和风雨的产生。
4.生命系统生命系统是地球上最复杂的耗散结构之一、生命系统中的各种生物体之间通过能量、物质和信息的交换和相互作用，形成了一个高度组织和耗散的自组织系统。
例如，生物体通过呼吸、消化吸收、代谢等过程从环境中获取能量和养分，并将代谢产物排出体外。
这些能量和物质的流动使得生物体维持自身的结构和功能，并通过繁殖和遗传等方式进行自我复制和传承。
生命系统的自组织性和耗散结构是生物学研究的核心内容之一以上示例只是生活中耗散结构的一小部分，实际上，在我们周围的自然界和社会中都存在着各种各样的耗散结构。
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。
耗散结构简介
人口的空间分布规律；
加拿大有人研究捕鱼的最佳方案；
荷兰有人研究能源的最低消耗方案
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定量的研究要提出物理模型， 建立数学模型， 然后再解相应的微分方程组。 如果我们能弄清自组织现象的规律, 自觉控 制一些参数, 使事物 (有生命, 无生命， 自然界, 社会) 朝着我们所希望的耗散结构的方向发展, 那么我们这个世界将会更加美好!
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五. 涨落导致有序 分叉现象表明，系统在临界点附近的微小 变化（涨落）可以从根本上改变系统的性质， 这叫突变现象。 自组织总是通过某种突变过程来实现。
C 的存在是伴随耗散结构现象的特征。
系统处在不同状态，涨落的作用可以很不同： C点附近
涨落 微观客体 非线性因素 宏观有
协同动作
序状态
（耗散结构）
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四.远离平衡态的分叉现象 1.平衡态热力学（经典热力学） 平衡态热力学主要研究平衡态的性质。 例如,贝纳德实验中 T = 0 的情形。 2. 线性非平衡态热力学（近平衡态热力学） 偏离平衡态很小的系统称为近平衡系统。
二者呈简单 近平衡 外 界 作 用 小 的线性关系 系统 系 统 不 可 逆 响 应 小
进化（达尔文）
3
二.自组织现象和耗散结构 自组织现象： 在一定外界条件下，系统内部 自发地由无序变为有序的现象。 这种演化过程叫自组织过程。 1.自组织现象中的空间有序结构 ▲ 无生命界： 六角形的雪花； 鱼鳞状的云；
4
贝纳德（Benard）对流
蜂窝模式 俯视图
T2
距离 很小
大导热板
T2 Q
远离平衡态
• 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 (即可逆过程)的状态。 • 远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均
生物系统的耗散结构和自组织性质
生物系统的耗散结构和自组织性质生命的存在不仅仅是机械式的运作，而是一种充满活力的复杂体系。
生物体系中的耗散结构和自组织性质是生命系统的关键特征。
本文将重点探讨生物系统中的耗散结构和自组织性质，以及这些特征对生命体系的影响。
一. 什么是耗散结构？耗散结构是指生物体系的一种动态状态，它是通过消耗能量和物质，并将它们转化成生物体系所需的结构和功能的一种过程。
生物体系中的许多过程都需要耗散结构的支持，例如酶合成、代谢产物消耗和生长等生命过程。
耗散结构的产生是生物体系中不可缺少的过程，它保证了生命系统的正常运转。
二. 生物体系中的自组织性质自组织性是生物体系中的另一个重要特征。
自组织性是指生物体系中出现的结构和组织形式，是由于不同的生物体组件之间的相互作用和调节所形成的。
当生物体系中包含的成分相互作用的规律性达到一定的水平时，组织和结构中就会出现某种规律性。
生物体系中的自组织性质是一种较为普遍的现象，它有助于生物系统的功能完成和稳定性维持。
三. 耗散结构与自组织性的相互作用耗散结构和自组织性是生物体系中的两个重要特征，并且它们之间存在着相互关联和相互作用的关系。
首先，耗散结构可以促进自组织性。
由于耗散结构的存在，生物体系中每个组件的持续运动和代谢产生了相互之间的相互作用和调节。
这种相互作用和调节可以促进自组织性的产生。
例如，在一个生长的微生物群体中，每个微生物细胞之间都存在一定的相互作用，这些相互作用可以促使整个群体的生长和扩散。
其次，自组织性可以维持和调节耗散结构的运转。
由于自组织性的存在，生物体系中的各种组件可以相互协同和协调，这有助于保证耗散结构的完整和稳定。
例如，在一个细胞代谢网络中，各种代谢产物的转化和消耗需要通过复杂的调节控制才能保证正常进行。
最后，耗散结构和自组织性相互支持，维持了生物体系的动态平衡和稳定性。
生物体系中的组件之间的不断调节和适应可以使系统稳定，并能够应对外界变化。
同时，耗散结构的存在保证了生命体系中必需的物质和能量的不断供应。
自组织理论、耗散结构知识讲解
• 其次,教学过程必须远离平衡态。根据自组 织理论,非平衡是有序之源。
• 教学过程远离平衡态,才能够使学生原来的 认知状态被远离平衡态的刺激所打破,发生 “协同”或更深刻的“竞争”过程,使认知 结构得到充实或变革,达到新的水平和新的 平衡。布鲁纳认为,“为了促进学生的思维 状态处于非平衡态,教师必须努力启发他们 自由灵活地思考问题。”即要求学生不满 足已有的理论和知识体系,具有怀疑的态度 和批判的精神。
• ④ 远离平衡态系统内各要素之间存在着非 线性的相互作用
• 根据普里高津耗散结构理论，对于近平衡 态系统只存在两种演变前途不是衰亡就是 无限增长。近平衡态系统的定态和非平衡 约束是一一对应的，即除热力学分支外无 任何其它分支存在。
• 学校成为自主办学实体，由他组织走向自 组织，就是从一般向优质发展、从低级向 高级的连续不断的演化过程。
教学系统的自组织
教学系统作为一个系统,它既可以是被组织系 统,又可以是自组织系统。 教学过程的自组织是指:在教师的引导下,学 生的知识、技能和方法等参量之间进行相互 协同和竞争,当学生的大脑进入从无序到有序 的临界值时,导致只有少数序参量支配学生的 认知系统,最终实现学生的认知从无序变为有 序,达到“教是为了不教的目的”。
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。
自组织与耗散结构-中国物理C
一些液体 , 从盘子下 面对这薄层液体进行加热
开始时温度梯度不大 , 液体 中只有一般 的热传 导 , 当液体温 度梯 度超 过某 一 临界 值 时 , 液体 中 会突然 出现许多规则 的六角形 “对流格子 ” , 它 的花样 像蜂 房 那 样 有 序 , 此 时液体 内部 转 向宏 观 有 序 化 自组 织 现 象 在 其他 领 域 的 例子 这 里 不再一一枚举
年 比利 时布 鲁塞 尔理 论物理 学派领 导 人 普 利 高 津 发 表 了《结 构 · 耗 散 和 生 命 》, 提 出 了耗散结构理 论 该理 论 认为 , 远 离平衡态 的开放系统 , 通过 与外界交换物质和能量 , 可 以 在 一定条件下 , 形成新 的有序结构 , 实现从无序 向新 的有 序转化 这种非孤立 系统 , 从外界 吸 收 了较 高 品位 的物质或 能量而 向外 界 排 出耗散 了的较低品位的物质或能量 , 所 以称之为 “耗散 结构 ”系 统 而且 , 在 一定条件 临界 条件或 阂 值条件 下 , 系 统处 于 非 线性 的非平衡 态 时变得 不稳定 , 一个很小 的 “扰动 ”就可能引起 系统的 突变 即非平衡相变 , 就 会出现分叉现象或分 支 现 象 , 从 而 形 成 新 的有 序 结 构 , 自组 织 结 构 系 统 便 会 向更 加 复杂更 加 高级 更 加 有 序 的方 向进 化 一级分支现象 可 以解释某些 简单的时空有 序 的 自组 织 现 象 , 高 级 分 支 现 象 则 可 解 释 某 些 复 杂 的 时空 有 序 的 自组 织 现 象
结 构 组 织 皆 为 自组 织 结 构 , 高 等 生 物 体 的 自组
织结构是最好的典范 高等动物体 内的呼吸器
官、 消化器官、 血液循环器官、 神经感觉器官、 生
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贝纳特对流实验
当温差ΔT较小时， 当温差ΔT较小时，传热以导热的方式 ΔT较小时 平稳进行，液体从宏观上看是静止的； 平稳进行，液体从宏观上看是静止的； ΔT超过某一极限值 超过某一极限值ΔT 当 ΔT超过某一极限值ΔTc时，液体 发生突变，变得不稳定，出现对流， 发生突变，变得不稳定，出现对流， 并可发展成为排列非常整齐的六边形 对流原胞。如果ΔT继续增大， ΔT继续增大 对流原胞。如果ΔT继续增大，对流花 纹可发生多次分合。 纹可发生多次分合。
贝纳特对流实验
宏观系统的自然倾向是沿着时间箭头走向平衡 但实验发现， 态。但实验发现，当两种气体的混合体由于加 热而离开平衡态后， 热而离开平衡态后，组织便会以一种简单浓度 梯度的形式出现。 梯度的形式出现。所示盛有氢气和硫化氢气体 混合物的容器， 混合物的容器，使两端产生并保持一个很小的 温度差，就会发现两种气体将逐渐分离， 温度差，就会发现两种气体将逐渐分离，较轻 的氢气多流向较热的一边， 的氢气多流向较热的一边，较重的硫化氢气则 多聚集于较冷的一边，形成了各自的浓度梯度。 多聚集于较冷的一边，形成了各自的浓度梯度。 这个现象表明，在不可逆的非平衡态过程中， 这个现象表明，在不可逆的非平衡态过程中， 可以产生出有序性。 可以产生出有序性。
耗散结构
耗散结构：处在非线性区（远离平衡 耗散结构：处在非线性区（ 的非平衡系统， 区）的非平衡系统，其状态随时间的 变化，有可能有序结构,即耗散结构。 变化，有可能有序结构,即耗散结构。 与处在线性区（即近平衡区） 与处在线性区（即近平衡区） 的非平衡系统随时间变化所趋向的定 熵产生率最小的状态） 态（熵产生率最小的状态）有着质的 区别（结构改变了）。 区别（结构改变了）。
贝纳特花纹
实验的理论分析
在处于远离平衡的敞开系统中，通过 在处于远离平衡的敞开系统中， 改变参量，可是系统失稳， 改变参量，可是系统失稳，并过渡到 与原来定态结构完全不同的新的稳定 态。这是建立在不稳定基础上的新的 有序稳定结构， 有序稳定结构，是依靠系统与外界交 换物质和能量维持的，一旦供应停止， 换物质和能量维持的，一旦供应停止， 这个耗散结构也必将终止！ 这个耗散结构也必将终止！
应用举例
激光、化学反应、电子线路、 激光、化学反应、电子线路、生命体等等
例：生命体是一个不断吸收负熵流，并不断进行自组织现象！ 生命体是一个不断吸收负熵流，并不断进行自组织现象！
前景
有关耗散结构的形成机理及涨落 特性还没有研究清楚。 特性还没有研究清楚。这就是我 们的机会，我们需努力， 们的机会，我们需努力，说不定 咱也能获 诺贝尔奖 呢！ 前景：一片光明，不过需努力！ 前景：一片光明，不过需努力！
耗散结构的条件
一.只有系统远离平衡态时，才可能出现耗散 只有系统远离平衡态时， 结构； 结构； 必须超过某一限度（温差、浓度差等）， 二.必须超过某一限度（温差、浓度差等）， 即阈值； 即阈值； 必须有不间断的物质和能量维持。 三.必须有不间断的物质和能量维持。 专家总结为：（ ：（1 系统必须是开放的， 专家总结为：（1）系统必须是开放的， 系统必须处于远离平衡态，（ ，（3 （2）系统必须处于远离平衡态，（3）系 统内部存在非线性的相互作用，（ ，（4 统内部存在非线性的相互作用，（4）涨落 导致有序。 导致有序。
魏永亮 应用化学0801 应用化学0801
主要内容
•耗散结构 •贝纳特对流实验 •耗散结构的应用 •耗散结构的前景与展望
小问题？
经典热力学认为：系统中是 经典热力学认为： 自发地趋向于平衡，趋向于无序。 自发地趋向于平衡，趋向于无序。 但是实际上趋向平衡、 但是实际上趋向平衡、趋向无序并 不是大自然的普遍规律。 不是大自然的普遍规律。 大家能否几个不是熵增的 例子，即不符合经典热力学的例子？ 例子，即不符合经典热力学的例子？
耗散结构
耗散结构理论指出：一个开放系统（ 耗散结构理论指出：一个开放系统（无论是力学 物理的、 的、物理的、化学的还是生物的乃至社会的经 济的系统）处在远离平衡态的非线性区域， 济的系统）处在远离平衡态的非线性区域，当 系统的某个参数变化到达一定的的临界值（ 系统的某个参数变化到达一定的的临界值（阈 通过涨落，系统发生突变， 值）时，通过涨落，系统发生突变，即非平衡 相变， 相变，其状态可能从原来的混乱无序的状态转 变到一种在时间上、 变到一种在时间上、空间上或功能上有序的新 状态，这种新的有序结构（耗散结构） 状态，这种新的持一定的稳定性， 并保持一定的稳定性，且不会因外界的微小扰 动而消失。 动而消失。