耗散结构
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耗散结构
比利时布鲁塞尔学派领导人普里高京于1967年在第一届理论物理与生物学国际会议上发表了名为《结构、耗散和生命》的论文，正式提出了耗散结构理论。普里高京因此获得了诺贝尔奖。
耗散结构理论指出：一个开放系统（无论是力学的、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，当系统的某个参数变化到达一定的的临界值（阈值）时，通过涨落，系统发生突变，即非平衡相变，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、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）需要系统不断的与外界交换物质和能量才能得以维持并保持一定的稳定性，且不会因外界的微小扰动而消失。
耗散结构有四个条件：（1）系统必须是开放的，（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）涨落导致有序。
自然界的生物种类极其繁多，形态各异，功能复杂，构成了绚丽多彩的生物世界。同时生物界也是自然界中最富有生气和最具神秘感的领域。孤立系统不能产生有序结构，因为根据热力学第二定律，孤立系统的熵是永不减少的。因此耗散结构一定产生于开放系统，必须存在由环境流向系统的负熵流，而且能够抵消掉系统自身的熵增，才能使系统的熵减小，有序度增加。玻尔兹曼原理虽对解释平衡结构是成功的，却无法用来说明非平衡的有序结构，对于平衡态系统各个微观组态是等概率出现的，对于生物体，它是由分子、细胞、组织、器官、个体、群体按各种要求与层次组成的，在各层次上都表现出有序性，因此自组织现象（尤其是生命现象）只能在远离平衡态的条件下生存。因此普里高京认为，非平衡是有序之源。从系统内部组织的相互作用和动力学行为来看，能形成耗散结构的系统以及其演化过程所服从的动力学方程都是非线性的。在一些自组织现象如贝纳德流、激光、化学振荡的出现都是伴随着对称性破缺的突变现象，这些系统经历对称性破缺形成时空有序结构是自发进行的。涨落是指系统中某个变量和行为对平均值所发生的偏离，它使系统离开了原来的状态或轨道。对稳定系统来说，涨落是一种干扰，它引起系统的无序，这时系统有抗干扰能力，迫使涨落衰减，如果系统处在不稳定的临界状态，小的涨落不仅不会衰减，反而会被放大，驱动系统从不稳定状态跃迁到一个新的有序状态。这就是耗散结构强调的“涨落导致有序”。
普里高京学派认为，自组织是这样形成的：首先是系统内部的功能（即系统内部所包含的非线性、自催化、反馈机制等），由于这种功能，当系统离开平衡时，其无序状态会失去稳定性，另一方面是时空或功能结构，当无序状态失稳时，系统的功能所容许的有序结构是稳定的，最后一方面是涨落，当无序状态失稳后，涨落扮演了扰动的角色，促使系统从无序状态跃迁到有序状态。
总之，所谓自组织过程是指系统内部具有一定功能的开放系统在远离平衡态时，因其无序状态的失稳，在系统内部涨落的驱动下转变为宏观尺度上稳定的时间、空间或功能结构的过程。形成的结构称作耗散结构，它必须在系统不断与外界交流物质、能量的条件下才能维持。自组织必定是由系统内部的功能而自发形成的，外界之提供一定的条件而不进行直接的干预与安排。
自然界的美、自然界的结构与和谐性不是上帝创造的，而是自组织的结果。在研究结构起源时有两种趋势，一是着眼个体，将万物分解为基本的单元，如将晶体分解为分子、原子、原子核、电子、中子、质子、夸克等，或将生物体分解为器官、组织、细胞、细胞膜、细胞核、分子、原子等，这种方法取得了巨大的成功。另一种趋势是强调事物的整体性，即亚里士多德强调的整体大于部分的总和，即研究系统各部分的联系与相互作用对整体的影响，这种方法正在迅速发展。
谈到这里，也许许多人会对世界的复杂性有了一定程度的认识，也似乎在告诉我们，任何宏观物质都是极为复杂的，那种在数学上的理想化方程与物理上的理想化模型一定会或多或少的与事实存在偏差。然而，实验再一次证明，理想化模型在现实世界里的确是存在的，而且一度成为科学前沿，经久不衰，并有几位研究者获得了诺贝尔奖„„
