耗散結構
比利時的普里戈金從研究偏離平衡態熱力學系統的輸送過程入手，深入討論離開平衡態不遠的非平衡狀態的熱力學系統的物質、能量輸送過程，即流動的過程，以及驅動此過程的熱力學力，並對這些流和力的線性關係做出了定量描述，指出非平衡系統（線性區）演化的基本特徵是趨向平衡狀態，即熵增最小的定態。這就是關於線性非平衡系統的「最小熵產生定理」，它否定了線性區存在突變的可能性。
普里戈金在非平衡熱力學系統的線性區的研究的基礎上，又開始探索非平衡熱力學系統在非線性區的演化特徵。在研究偏離平衡態熱力學系統時發現，當系統離開平衡態的引數達到一定閾值時，系統將會出現「行為臨界點」，在越過這種臨界點後系統將離開原來的熱力學無序分支，發生突變而進入到乙個全新的穩定有序狀態；若將系統推向離平衡態更遠的地方，系統可能演化出更多新的穩定有序結構。普里戈金將這類穩定的有序結構稱作「耗散結構」。
從而提出了關於遠離平衡狀態的非平衡熱力學系統的耗散結構理論。
耗散結構理論指出，系統從無序狀態過渡到這種耗散結構有幾個必要條件，一是系統必須是開放的，即系統必須與外界進行物質、能量的交換；二是系統必須是遠離平衡狀態的，系統中物質、能量流和熱力學力的關係是非線性的；三是系統內部不同元素之間存在著非線性相互作用，並且需要不斷輸入能量來維持。
在平衡態和近平衡態，漲落是一種破壞穩定有序的干擾，但在遠離平衡態條件下，非線性作用使漲落放大而達到有序。偏離平衡態的開放系統通過漲落，在越過臨界點後「自組織」成耗散結構，耗散結構由突變而湧現，其狀態是穩定的。耗散結構理論指出，開放系統在遠離平衡狀態的情況下可以湧現出新的結構。
地球上的生命體都是遠離平衡狀態的不平衡的開放系統，它們通過與外界不斷地進行物質和能量交換，經自組織而形成一系列的有序結構。可以認為這就是解釋生命過程的熱力學現象和生物的進化的熱力學理論基礎之一。
在生物學，微生物細胞是典型的耗散結構。在物理學，典型的例子是貝納特流。廣義的耗散結構可以泛指一系列遠離平衡狀態的開放系統，它們可以是力學的、物理的、化學的、生物學的系統，也可以是社會的經濟系統。
耗散結構理論的提出，對於自然科學以至社會科學，已經產生或將要產生積極的重大影響。耗散結構理論促使科學家特別是自然科學家開始探索各種複雜系統的基本規律，開始了研究複雜性系統的攀登。
遠離平衡態的開放系統，通過與外界交換物質和能量，可能在一定的條件下形成一種新的穩定的有序結構。
典型的例子是貝納特流。在一扁平容器內充有一薄層液體，液層的寬度遠大於其厚度，從液層底部均勻加熱，液層頂部溫度亦均勻，底部與頂部存在溫度差。當溫度差較小時，熱量以傳導方式通過液層，液層中不會產生任何結構。
但當溫度差達到某一特定值時，液層中自動出現許多六角形小格仔，液體從每個格仔的中心湧起、從邊緣下沉，形成規則的對流。從上往下可以看到貝納特流形成的蜂窩狀貝納特花紋圖案。這種穩定的有序結構稱為耗散結構。
類似的有序結構還出現在流體力學、化學反應以及雷射等非線性現象中。
耗散結構的特徵是：①存在於開放系統中，靠與外界的能量和物質交換產生負熵流，使系統熵減少形成有序結構。耗散即強調這種交換。
對於孤立系統，由熱力學第二定律可知，其熵不減少，不可能從無序產生有序結構。②保持遠離平衡態。貝納特流中液層上下達到一定溫度差的條件就是確保遠離平衡態。
③系統內部存在著非線性相互作用。在平衡態和近平衡態，漲落是一種破壞穩定有序的干擾，但在遠離平衡態條件下，非線性作用使漲落放大，達到有序。
比利時的普里高津、德國的哈肯、日本的久保-鈴木等學派對遠離平衡態的耗散結構理論的建立與發展作出重要貢獻。但理論尚屬初級階段，有待於發掘新的概念、規律和數學工具。耗散結構理論已用於研究流體、雷射等系統、核反應過程，生態系統中的人口分布，環境保護問題，乃至交通運輸、城市發展等課題。
首先，產生耗散結構的系統都包含有大量的系統基元甚至多層次的組分。貝納德效應中的液體包含大量分子。天空中的雲包含有由水分子組成的水蒸氣、液滴，水晶和空氣，因而是含有多組分多層次的系統。
至於貝洛索夫——薩波金斯基反應，其中不僅含有大量分子原子和離子，並且有許多化學成分。不僅如此，在產生耗散結構的系統中，基元間以及不同的組分和層次間還通常存在著錯綜複雜的相互作用，其中尤為重要的是正反饋機制和非線性作用。正反饋可以看作自我複製自我放大的機制，是「序」產生的重要因素，而非線性可以使系統在熱力學分支失穩的基礎上重新穩定到耗散結構分支上。
第二，產生耗散結構的系統必須是開放系統，必定同外界進行著物質與能量的交換。天街中的雲一定會和周圍的大氣和雲進行物質交並和外界進行能量交換。如欲維持貝洛索夫一薩波金斯基反應中的時間、空間，時間——空間結構，則需不斷地向進行反應的容器中注入所需的化學物質，這正是系統與外界的物質交換。
耗散結構之所以依賴於系統開放，是因為根據熱力學第二定律，乙個孤立系統的熵要隨時間增大直至極大值，此時對應最無序的平衡態，也就是說孤立系統絕對不會出現耗散結構。而開放系統可以使系統從外界引入足夠強的負熵流來抵消系統本身的熵產生而使系統總熵減少或不變，從而使系統進入或維持相對有序的狀態。
第三，產生耗散結構的系統必須處於遠離平衡的狀態。為了簡單說朋問題，先舉乙個有關平衡狀態的例子。假定暖水瓶是完全隔熱的，裡邊放入溫水，蓋上瓶塞，其中的水不再受外界任何影響，最後水就進入一種各處溫度均勻，沒有巨集觀流動和翻滾且不再隨時間改變的狀態，叫平衡態，相應的結構稱為平衡結構。
根據熱力學理論，在這種狀態下是不可能出現任何耗散結構的。如果把瓶塞開啟，用細棒攪拌瓶中的水，這時系統內發生翻滾流動，脫離平衡態。但若重新蓋上瓶塞，經過足夠長時間，系統又將不可避免的馳豫到新的平衡態，仍不會有耗散結構。
這表明系統雖走出了平衡態，但離開平衡態不夠「遠」。要想使系統產生耗散結構，就必須通過外界的物質流和能量流驅動系統使它遠離平衡至一定程度，至少使其越過非平衡的線性區，即進入非線性區。 最明顯的例子是貝納德效應，若上下溫差很小，不會出現六角形花紋，表明系統離開平衡態不夠遠。
待溫差達到一定程度，即離開平衡態足夠遠，才發生貝納德對流。這裡強調指出，耗散結構與平衡結構有本質的區別。平衡結構是一種「死」的結構，它的存在和維持不依賴於外界、而耗散結構是個「活」的結構，它只有在非平衡條件下依賴於外界才能形成和維持。
由於它內部不斷產生熵，就要不斷地從外界引入負熵流，不斷進行「新陳代謝」過程，一旦這種「代謝」條件被破壞，這個結構就會「窒息而死」。所有自然界的生命現象都必須用第二種結構來解釋。
第四，耗散結構總是通過某種突變過程出現的，某種臨界值的存在是伴隨耗散結構現象的一大特徵，如貝納德對流，雷射，化學振盪均是系統控制參量越過一定閾值時突然出現的。 最後，耗散結構的出現是由於遠離平衡的系統內部漲落被放大而誘發的。什麼是漲落呢?
舉個例子，密閉容器內的氣體，如果不受周圍環境的影響或干擾，就會像前面所說的那樣達到平衡態，不難想象，這時容器內各處氣體的密度是均勻的。然而由於大量氣體分子作無規則熱運動而且相互碰撞，可能某瞬時容器內某處的密度略微偏大，另一瞬時又略微偏小，即密度在其平均值上下波動。這種現象就叫漲落。
如果僅限於討論處於平衡態氣體內部的漲落，意義並不十分大。 雖然無規則運動和碰撞的存在將不時產生相對於平衡的偏差。但由於同樣的原因這種偏差又不斷地平息下去，從而平衡得以維持。
在遠離平衡時，意義就完全不同了，微小的漲落就能不斷被放大使系統離開熱力學分支而進入新的更有序的耗散結構分支。漲落之所以能發揮這麼大的作用是因為熱力學分支的失穩已為這一切準備好了必要的條件，漲落對系統演變所起的是一種觸發作用。
綜述以上各點概括起來說，，空間或時間——空間結構。 耗散結構理論的提出對當代哲學思想產生了深遠的影響，該理論引起了哲學家們的廣泛注意。在耗散結構理論創立前，世界被一分為二：
其一是物理世界，這個世界是簡單的、被動的、僵死的，不變的可逆的和決定論的量的世界；另乙個世界是生物界和人類社會，這個世界是複雜的、主動的、活躍的、進化的，不可逆和非決定論的質的世界。物理世界和生命世界之間存在著巨大的差異和不可逾越的鴻溝，它們是完全分離的，從而伴隨而來的是兩種科學，兩種文化的對立。而耗散結構理論則在把兩者重新統一起來的過程中起著重要的作用。
耗散結構理論極大地豐富了哲學思想，在可逆與不可逆，對稱與非對稱，平衡與非平衡，有序與無序、穩定與不穩定，簡單與複雜，區域性與整體，決定論和非決定論等諸多哲學範疇都有其獨特的貢獻。 耗散結構理論可以應用於研究許多實際現象。上面所談的「天街、貝納德效應以及貝洛索夫 ——薩波金斯基反應分別屬於物理和化學範疇，值得提到的是在生命現象中也包含有多層次多組分，例如從種群、個體、器官、組織、細胞以及於生物分子，各層次間以及同一層次的各種組分間存在著更為複雜的相互作用。
生命系統需要新陳代謝，因而必定是開放系統。再者生命系統必然是遠離平衡的。因此生命系統成為耗散結構理論應用的物件是十分自然的。
這方面目前取得較多進展的有動物體內釋放能量的生化反應糖酵解的時間振盪，還有關於腫瘤免疫監視的問題以及一些生態學中的問題。
從廣義講，人類社會也是遠離平衡的開放系統。因此，像都市的形成發展，城鎮交通，航海捕魚，教育經濟問題等社會經濟問題也可作為耗散結構理論應用的領域。耗散結構理論自提出以來，一直在理論和實際應用兩個方面同時拓展，今後的發展也可望順著這個路子往下走。
因為並非一切遠離平衡的複雜性開放系統的行為都可以歸納為耗散結構，所以，作為更高層次的一般研究複雜系統的系統科學的乙個分支理論，面對紛繁複雜的實際世界，其未來充滿挑戰，也面對機會，可謂任重道遠。
那麼，耗散結構是如何產生的呢？
首先，產生耗散結構的系統都包含有大量各不相同的成分，並且各成分之間還通常存在著錯綜複雜的相互作用，這是「有序」產生的重要因素。例如天空中的雲包含有由水分子組成的水蒸氣、液滴、水晶和空氣，它們之間的相互作用非常頻繁。
第二，產生耗散結構的系統必須是開放系統，必定同外界進行著物質與能量的交換。例如天街中的雲一定會和周圍的大氣和雲進行物質交並以及能量交換。
第三，產生耗散結構的系統一開始必須是不平衡的，它的結構很混亂。像天空中的雲，它的分布是散亂無序的，整個雲彩系統的物理性質處於很不均勻的狀態，只有在這種情況下，通過外界的物質流和能量流的驅動，雲彩系統才有可能變成「細胞雲」或「雲街」等嶄新的有序結構。
第四，乙個無序的系統轉換成乙個有序的系統存在乙個臨界狀態。臨界狀態就是指乙個事物系統從一種狀態轉變到另一種狀態時的臨界線，例如，你可以把稻草不斷地堆在駱駝背上，什麼事也不會發生，直到你把一根跨過臨界質量的稻草丟上去，這個小改變就會產生乙個極大的後果。在這個臨界點之前，即使有相當大的改變，也只能產生很小的效應，而到了臨界點之後，乙個很小的改變卻導致了巨大的效應。
臨界狀態的例子在我們日常生活中經常可以見到，比如水在零攝氏度結冰，由液體變成固體，零攝氏度的時候就是臨界狀態；水在100攝氏度時變成了氣，100攝氏度的時候也是臨界狀態。我們看看雪花的例子，它是在剛好零度附近產生的，只要到了那個溫度，就會突然自動形成，而且呈現出來漂亮結構，有序的狀態。
耗散結構理論
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