耗散结构理论可解读为大学物理中的章节

热力学第二定律所指出的系统自发过程的方向：热量只能自动地从高温物体传到低温物体，而不带来任何其他影响。热不能全部转化为功，功可以全部转化成热而不带来其他影响。在封闭系统中发生的任何不可逆过程导致熵增加，混乱程度不断增加，而且过程总是从有序走向无序。

将熵增加原理推到整个宇宙时，它的消极方面带来了“热寂说”：宇宙的熵在增加，能量在变质，宇宙最终达到均一的热平衡，到处是同一温度，任何能量失去了做功的能力，机器无法开动，世界成了一片静寂的“热死”状态。

以上分析的基本条件：孤立系统处在平衡态或平衡态附近。我们看到的是一片消极景象。

热寂说是以宇宙为孤立系统，从非平衡趋于平衡的结论为前提的。然而近代宇宙论的研究和观测表明，宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸，大爆炸之后宇宙一直在膨胀。它不是趋于平衡态，而是越来越远离平衡。按照熵增加原理，只对于每个静态的封闭体系，熵才有个固定的极大值Smax；对于膨胀的系统，每一瞬时熵可能达到的极大值Smax是与时俱增的，如图9—13的虚线所示。

图9—13　宇宙熵变

如果膨胀得足够快，系统不但不能每时每刻跟上过程以达到新的平衡，而且实际上熵值S的增长（见图9—13中的实线）将落后于Smax的增长，两者的差距愈拉愈大。虽然系统的熵不断增加，但它距离平衡态（热寂状态）却愈来愈远，我们的宇宙中发生的正是这种情况。

1.自组织现象

热力学第二定律指出：不可逆过程使宇宙熵增加，熵增加带来了能“质”衰退、能量弥散的消极方面，世界越来越混乱无序。然而，生物的进化正好相反。生物起源于无机世界的平衡无序，经化学反应而形成有序产物，直至生命，从无序走向了有序。如花、草、叶、梗；分子、细胞、DNA；眼、脑、手、足等。

另外自然界中也存在大量自发的有序现象，如石纹、云街、雪花，等等。

不只是空间的有序，在时间上也存在有序，如生物过程随时间的周期性变化等。这样从无序走向有序是如何形成的呢？

“耗散结构”理论的创始人普里高津对热力学第二定律提出了新的解释。在他看来，熵不只使世界向着混乱和无序滑去，在某些条件下，熵本身会成为有序之源。

拿热机来说，来自高温热源的一部分热量转化成了有序的零熵高“质”机械能，但高温热源的另一部分热量必须流入低温热源，使能“质”变得更坏，以确保系统和环境的总熵得以增加。热机运行的现实告诉我们：一些地方变得有序，必须以另一些地方变得更加无序和混乱为代价。

再看制冷机中进行的过程。我们的目的是要使热量由低温物体传到高温物体，这过程是非自发过程。热量自动地由低温传到高温物体是不可能的，因为它违背热力学第二定律，使宇宙的总熵减小。但如果附加一个功转化为热，导致熵增加的不可逆过程，使宇宙此时的总熵仍增加，那么，就不违背热力学第二定律而允许发生了，这就是制冷机的秘诀。

这使我们看到：不可逆过程有化“不可能”为“可能”的本领；不可逆过程也是非自发过程的“驱动力”。下面介绍几种自组织现象。

（1）贝纳尔对流

不可逆过程还能从混乱无序中形成结构，这可以举有名的耗散结构——贝纳尔对流花纹为例。如图9—14所示，在面积较大的浅锅里倒入少量牛奶，使牛奶表面积水平宽度比深度大得多。上表面可视为均匀的冷源，锅底均匀缓慢加热，使底及表面之间形成温度差别，当温度差别超过某一值，从上液面便可突然看到如图9—14所示的六角对流花纹。

图9—14　贝纳尔对沉

在我们的印象中，总觉得热运动导致无序，而这里，热运动却导致流体的有序。这是小范围内自发形成的对流，对流花纹的发生，加大了熵产生，加快了热量由锅底高温热源到表面低温热源的输运和能量耗散的不可逆过程。加快这一不可逆过程，对于维持这一有序结构是至关重要的。明显可以看出，贝纳尔对流现象是开放的系统，远离平衡态并消耗能量。

（2）激光现象

20世纪60年代，出现的激光是时间有序的自组织现象。当外界向激光器输入的功率小于某个临界值时，每个处于激发状态的原子都独立地无规则地发射光子，频率和相位都无序，整个发光系统处于无序状态，激光器就像普通白炽灯一样。当输入功率大于临界值时，就产生了一种全新的现象。各原子不再独立地互不相关地发射光波了，它们集体一致地行动，不同原子发出的光的频率和相位都变得十分有序（见图9—15）。激光器发射出单色性、方向性和相干性极好的受激发射光，整个发光系统处于有序状态。与贝纳尔对流花样相同，这里的开放系统也出现远离平衡态失稳、自组织、有序化并形成有序动态稳定结构，这个结构靠外界输入能量维持。

图9—15　激光现象

（3）时空有序化学反应——B—Z反应

B—Z反应是在化学实验中体现时空有序的自组织现象的一个突出的例子，是苏联化学家别洛索夫和扎包廷斯基发现的。1959年，别洛索夫在金属铈离子做催化剂的情况下进行了柠檬酸的溴酸氧化反应。他发现在某些条件下某些组分（例如，溴离子、铈离子）的浓度会随时间做周期变化，造成反应介质的颜色在黄色和无色之间做周期性的变化。其后扎包廷斯基等人继续并改进了别洛索夫的实验，发现另外一些有机酸（例如丙二酸）的溴酸氧化反应也能呈现出这种组分浓度和反应介质的颜色随时间周期变化的现象。利用适当的催化剂和指示剂，可以使介质的颜色时而变红，时而变蓝，像钟摆一样发生规则的时间振荡，因此这类现象一般称之为化学振荡或化学钟。后来扎包廷斯基又发现在某些条件下容器中不同部位各种成分浓度不均匀，呈现出许多漂亮的花纹，空间分布有序。在B—Z反应中，当化学振荡和空间花纹出现，是由于时间或空间的对称性发生了破缺，在各个不同时刻和不同位置的反应分子出现了时间和空间的关联。此开放体系中的分子由于远离平衡态，产生非线性的感应、诱导、整合、放大，自己组织起来形成宏观的一致行动，使它们的浓度在某些特定的时间和空间一致地增多或减少，形成动态有序结构。外界控制的只是系统内反应物的平均浓度和系统温度，反应物甚至可以通过搅拌，使它们达到充分的均匀混合，这样的环境对系统的影响不存在时间和空间的不均匀性。由此可见，B—Z反应中出现的对称性破缺是在远离平衡态消耗能量而自发产生的，是一种自组织现象。

（4）生命系统

由前述事例可知，要产生和维持自组织，系统必须开放。不断向环境排放熵（或吸取负熵），系统才能克服内部不可逆过程带来的熵增，才能保持或增进自己的有序性。开放是系统保持有序和走向自组织的前提。生物是典型的自组织系统，任何一个生命有机体，都在不断地增加它的熵，并趋向平衡态；要活着并进化，就得不断从环境中吸取低熵能量和向环境排放高熵废物。

新陈代谢是维持生物体一切生命活动的基础，它包含着机体同外界环境的物质和能量交换，以及机体内部的物质转变和能量转移这样两种过程。机体从外界环境中摄取营养物质，把它转变为自身组织，并储存能量，建立生长发育的物质基础，这一过程叫作同化作用或合成代谢。在这一过程中，机体的熵可以局部地减少。同时进行着另一种过程，机体通过呼吸作用不断将自身的组成物质分解以释放能量，并把分解产生的废物排出体外，这就是异化作用或分解代谢。这期间伴随着机体熵的增大。

人活着，生长、发育、繁殖，进行新陈代谢，就不能处于热力学平衡态。活的生物体是不停地与环境进行着物质和能量交换的开放系统，是远离平衡态的，从而是宏观有序的。

还有很多自组织现象，其共同特点是远离平衡态、消耗能量，系统必须开放。(www.xing528.com)

2.耗散结构理论

一个系统要拥有结构和活力，它必须开放，去不断地与周围世界进行能量和物质的交换。让系统加入浩瀚宇宙的洪流之中，陶冶着自己，也许能在破坏的背景上营造复杂而美妙的结构。

（1）耗散结构

一个远离平衡的开放系统（包括物理的、化学的、生物的、社会的），在外界条件变化达到某一特定值时，系统通过不断地与外界交换能量和物质，就有可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。这种非平衡态下的新的有序结构就称之为耗散结构。

稳定有序的耗散结构则是一种“活”的结构，它要求不断地与外界发生物质和能量的交换，才能维持它的有序状态。通过这种有序的状态去耗散物质和能量，因此叫耗散结构。

（2）耗散结构中熵的变化问题

我们知道，在经典热力学中，一个系统的熵S可以写成

W表示这个系统与某宏观态对应的微观状态的数目，微观状态的数目愈多，表示这个系统无序的程度越高。所以，熵这个概念可以作为系统无序程度大小的量度，熵增加对应着无序程度的增大，熵减少对应着无序程度的减小。

耗散结构理论指出：对于一个与外界有物质和能量交换的开放系统来说，熵的变化可以分为两部分，一部分是系统本身由于不可逆过程引起的熵增加（diS），这一项永远是正的；另一部分是系统与外界交换物质和能量引起的熵流（deS），这一项可正、可负。整个系统的熵的变化deS，可以写作两项之和

根据热力学第二定律，diS≥0，在孤立系统中，根本没有熵流，因此，deS=0。在开放系统中，熵流deS可以大于或小于零。如果deS为负值，其绝对值又大于diS，则

这时总熵可以逐步减少，使系统由无序趋向有序，形成有序之后，如果

即

此时，系统的熵不变，则系统可维持在远离平衡态的有序结构状态。

（3）耗散结构形成的条件

一个远离平衡态的开放系统，有可能从外界吸收负熵流，增加系统的有序状态，即发生一种“自组织”过程。普里高津指出了远离平衡状态的开放系统产生“自组织”过程的条件。

首先，系统要包含非线性因素。例如：化学反应总是由粒子间的碰撞引起的，因此它的基本规律永远是非线性的，如果再满足一些条件，如催化反应、反馈条件等，则非线性的化学过程有可能导致耗散结构。“化学钟”（如B—Z化学反应）是一个例子。

其次，远离平衡状态的系统存在非线性反常涨落，这是形成耗散结构的第二种情况。

我们知道，在平衡态附近，即线性平衡区，涨落是一种破坏稳定性的干扰，它使系统离开平衡态。但是在这个区域，系统具有抗干扰的能力，涨落造成的偏离态会不断衰减，直到消失，最后回归到稳定状态。然而在远离平衡态的非线性区，涨落则起着相反的作用。此时系统处于一种不稳定状态，随机的小涨落通过相干效应形成一个整体的宏观的“巨涨落”，它可以使系统由不稳定的状态通过涨落跃迁到一个新的稳定的有序状态。

（4）耗散结构理论的一般意义

物理学的规律对于时间来说通常都是对称的，即把t→-t时，物理学方程是不变的。但热力学第二定律却打破了这种对称性，第一次把时间箭头引入了物理学。

以前，人们关于事物发展过程存在着两种截然不同的理论。热力学理论指出：孤立系统一切物理过程均由有序走向无序；而进化论则指出：一切生物过程均由无序走向有序。这两类过程的时间方向似乎是完全对立的，因此，物理过程与生物过程也就难以找到它们的统一性。

耗散结构理论的重大意义：指出了热力学第二定律所规定的时间箭头，仅仅适用于平衡态附近孤立系统的自然现象，而对于远离平衡态开放系统的自然现象（包括物理、化学、生物现象），它不服从热力学第二定律，而是可能从无序走向有序，这就把物理、化学、生物过程的时间持续性统一起来了。

耗散结构理论应用到生命体，如生物、人体、社会团体、企业、学校、特区、城市、国家等，具有重要的指导作用。一个生命体要生存、发展，必须开放，必须远离平衡态（要改革），必须从外界吸取低熵的物质，负熵的信息，同时向外界排放高熵废物。封闭、平衡态意味着落后直至死亡。

开放的主要目的是引进低熵物质，甚至负熵的信息知识。但开放也有时会闯入高熵物质，如人体被病毒侵害，社会开放会侵入文化糟粕，这是尤其要引起重视的。