耗散结构理论

耗散结构理论新兴学科01创始人重要概念研究及推动理论简概主要影响目录03050204基本信息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。创始人创始人耗散结构理论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(IlyaPrigogine)。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。理论简概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”(dissipativestructure)。重要概念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。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。主要影响主要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。研究及推动研究及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**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”。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