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（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。
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。
