*耗散結構簡介

*

已成為研究自然現象和社會問題的有力武器。*耗散結構

(Dissipativestructure)

耗散結構理論是普利高津（I.Prigoging）于1967年創立，他1977年獲諾貝爾化學獎。該理論中的許多概念，如開放系統﹑負熵流﹑突變等，一.退化與進化熱力學：孤立系──

能量退化

（熱寂論）生物學：開放系──物種進化有序無序退化（克勞修斯）進化（達爾文）時間箭頭*二.自組織現象和耗散結構自組織現象：自發地由無序變為有序的現象。在一定外界條件下，系統內部這種演化過程叫自組織過程。1.自組織現象中的空間有序結構▲無生命界：

六角形的雪花；

魚鱗狀的云；*

貝納德（Benard）對流液體靜止，熱傳導

液體對流傳熱T1=T2T2大導熱板距離很小

平衡態穩定的非平衡態QT2T1>T2，

△T<△TC液體靜止

T1>T2

，T2△T>△TC出現宏觀有序使能量得到更有效的傳遞。蜂窩模式千千萬萬的分子被組織起來，參加一定方式的宏觀定向運動，對稱對稱對稱破缺*

蛋白質大分子鏈由幾十種類型的成千萬個氨基酸分子按一定的規律排列而成。▲生物界

大腦是150億個神經細胞有規律排列組成的極精密極有序的系統。而地球年齡才幾十億年！而且每一種排列有相等的概率,一次特定的排列。這種有組織的排列決不是隨機形成的。假定這種排列是隨機形成的,也要經過10109億年才能出現進行100次排列,那么即使每秒*

樹葉有規則的形狀；

動物毛皮的花紋；龜背的圖案2.自組織現象中的時間有序結構▲無生命界：

B-Z反應

蘇，1958

貝魯索夫（Belousov）

扎玻庭斯基（Zhabotinski）溴酸氧化反應：檸檬酸+丙二酸，鈰(Ce)離子催化。*反應物濃度說明離子濃度出現了時間有序結構。▲生物界

中華鱘回游，侯鳥遷移，…有生命界和無生命界都有共同規律可循。*要將它們用物理學規律統一起來，必須抓住孤立系統與開放系統的區別。自組織現象是與熱力學第二定律的有序無序的時間箭頭不一致的！三.開放系統的熱力學第二律孤立系統進行自發過程S

。

這種由于系統內部經歷的不可逆過程而引起的熵變稱為熵產生，用di

S表示。

由熵增加原理：*要實現自組織，系統必須開放。除di

S外還有與外界能量或物質交換引起的熵變，對開放系統，除稱為熵流，用deS表示。開放系統總熵變──負熵流──正熵流若負熵流足夠強，以至時，有∴

開放系統可能因負熵流足夠強而實現自組織。*

例如貝納德實驗中，流體系統是個開放系統，因為即流出的熵大于流進的熵。系統的熵就減少，系統就從無序

有序。

人體是一個開放系統，吃飯就是為了產生“負熵流”。若流進流出的熱量記作dQ，流進的熵流出的熵所以則若凈流出的熵超過了系統內部的“熵產生”，隨著熱量的流進流出，系統的熵在變化。*若為正熵流，則系統不會實現自組織。考慮到總有dSi

>0，∴即系統經歷任何一個過程后，其熵變永遠不會小于熵流──熱力學第二定律的普遍形式。四.遠離平衡態的分叉現象主要研究平衡態的性質。1.平衡態熱力學（經典熱力學）例如,貝納德實驗中

T=0的情形。*

例如,貝納德實驗中，

T0但較小的情形。2.線性非平衡態熱力學(近平衡態熱力學）偏離平衡態很小的系統稱為近平衡系統。近平衡系統二者呈簡單的線性關系（宏觀性質不隨時間改變）非平衡的定態普里高津指出：近平衡系統取最小值

──最小熵產生原理這說明近平衡態是穩定的。*而不可能出現自組織現象。3.非線性非平衡態熱力學（遠離平衡態熱力學）已不是簡單的線性關系，例如，貝納德實驗中時的情形。這時,就有可能出現自組織現象。下面用圖線來表示以上的三種情況：對于近平衡系統，只要外界作用不變，即使系統內有漲落，仍會回到原非平衡定態，外界的影響強烈，它引起系統狀態的變化有它自己特有的規律。*Xλ控制參量表征定態的某個參量分叉現象遠離平衡的非線性區

不穩定的熱力學分支(b)(C)

穩定的耗散結構分支

穩定的耗散結構分支(C

)（對應某種時空有序狀態）（穩定的非平衡態）偏離平衡的線性區CλC(a)

穩定的熱力學分支平衡態λ0X0

*

非平衡的不穩定態在一個細小的擾動下，就可以引起系統狀態的突變，狀態離開（b）線沿著另外兩個穩定的分叉（c）,或（c’）發展，這稱為分叉現象。五.漲落導致有序

分叉現象表明，在臨界點附近的微小變化（漲落）可以從根本上改變系統的性質，這叫突變現象。自組織總是通過某種突變過程來實現。

c

的存在是伴隨耗散結構現象的特征。系統處在不同狀態，漲落的作用可以很不同：*(耗散結構)C點附近漲落微觀客體協同動作非線性因素宏觀有序狀態

不是任何漲落都能得到放大，

耗散結構形成的條件：只有適應系統動(c)漲落(a)開放系統(d)正反饋(b)遠離平衡態(e)非線性抑制因素素力學性質的那些漲落才能得到系統中絕大多數微觀客體的響應，從而波及整個系統，推向新的有序結構──耗散結構。將系統*

例如，假設某時刻在某個平衡態有如圖所示的漲落（漲落總是存在的）：為簡單起見，假設右圖是一個復雜的波形。

可以認為它是由許多不同頻率的正弦波按一定比例疊加而成。每一正弦分量稱為一種漲落分量。(傅立葉分析)*漲落可以使系統的狀態發生突變。到了宏觀尺度,就使系統進入某種有序狀態。快衰減掉,有的漲落分量卻得到放大。當放大重要的不是起補償作用，人轉化，與平衡態或近平衡態不同,在遠離平衡態的區域，隨著外界控制條件的變化,有的漲落分量很某種醫學理論認為病人服用或注射某些藥物，而是造成一種漲落。例如，人體中有不少ATP（三磷酸腺苷），但是冠心病人每次只要注射20mgATP就有明顯療效。它是通過引起某種漲落使病人向健康從而建立一種新的有序狀態。*六.高級分支和混沌狀態

混沌狀態Xλ∞λa1b1b2c1c2d1d2通過倍周期分叉走向混沌。*最終走向湍流(混沌)。

高級分支現象說明在遠離平衡態時系統可以有多種可能的有序結構。分支中產生的自組織本領，高級分支會積累起各次變得豐富和完備起來，現出復雜的時空行為，生命的進化和整個世界的發展也可以用高級分支行為來說明。

當系統偏離平衡態足夠遠時，系統可能具有的耗散結構也非常多。從而使系統的功能，如貝納德實驗中，當

T很大，且繼續加大時，會出現多種花紋的更替，*瞬時狀態的不確定性很大，這種無序態不同于熱力學中平衡的無序狀態。無序的時空尺度是宏觀量級的，

耗散結構理論在近年來有了很大的發展,

美國有人研究東西部由于漲落是無法控制和偶然的，所以此時系統進入了一種無序態。人口的空間分布規律；在實踐中已經運用。混沌（chaos）狀態。這種狀態