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耗散結構理論是研究遠離平衡態的開放系統從無序到有序的演化規律的一種理論。

1 耗散理論 -簡介


耗散結構是指處在遠離平衡態的複雜系統在外界能量流或物質流的維持下,通過自組織形成的一種新的有序結構。「耗散」一詞起源於拉丁文,原意為消散,在這裡強調與外界有能量和物質交流這一特性。

例如,從下方加熱的液體,當上下液面的溫度差超過某一特定的閾值時,液體中便出現一種規則的對流格子,它對應著一種很高程度的分子組織,這種被稱為貝納爾流圖像,就是液體中的一種耗散結構。又如,化學反應中的別洛索夫—扎博京斯基反應,某些反應物濃度隨時間和空間呈周期性的變化,這種化學振蕩和空間圖像,就是化學反應中的一種耗散結構。

耗散結構是比利時布魯塞爾學派著名的統計物理學家普里戈金,於1969年在理論物理和生物學國際會議上提出的一個概念。這是普里戈金學派20多年從事非平衡熱力學和非平衡統計物理學研究的成果。

1971年普里戈金等人寫成著作《結構、穩定和漲落的熱力學理論》,比較詳細地闡明了耗散結構的熱力學理論,並將它應用到流體力學。化學和生物學等方面,引起了人們的重視。

1971~1977年耗散結構理論的研究有了進一步的發展。這包括用非線性數學對分岔的討論,從隨機過程的角度說明漲落和耗散結構的聯繫,以及耗散結構在化學和生物學等方面的應用。1977年普里戈金等人所著《非平衡系統中的自組織》一書就是這些成果的總結。

之後,耗散結構理論的研究又有了新的發展,主要是用非平衡統計方法,考察耗散結構形成的過程和機制,討論非線性系統的特性和規律,以及耗散結構理論在社會經濟系統等方面的應用等。

耗散結構理論把複雜系統的自組織問題當作一個新方向來研究。在複雜系統的自組織問題上,人們發現有序程度的增加隨著所研究對象的進化過程而變得複雜起來,會產生各種變異。針對進化過程時間方向不可逆問題,藉助於熱力學和統計物理學用耗散結構理論研究一般複雜系統,提出非平衡是有序的起源,並以此作為基本出發點,在決定性和隨機性兩方面建立了相應的理論。

在決定性理論方面,以化學反應系統為例,耗散結構理論是在等溫、等壓、穩定的邊界條件和局域平衡四個假定下,考察複雜的開放系統,根據系統服從的統計力學規律建立相應的方程。

用微分方程的穩定性理論已經證明:複雜的開放系統在平衡態附近的非平衡區域不可能形成新的有序結構,在這個區域內系統的基本特徵是趨向平衡態。在遠離平衡態的非平衡區域,系統可以形成新的有序結構,即耗散結構。這種耗散結構只能通過連續的能量流或物質流來維持,它是在熱力學不穩定性上的一種新型組織,具有時間和空間的相干特性。這是一種與平衡條件下出現的平衡結構完全不同的結構。

在隨機性理論方面,耗散結構理論運用數學中的概率論和隨機過程論分析複雜系統,考察系統內的漲落,認為耗散結構形成的機制是由於系統內漲落的放大。系統在某個特定的閾值以下,漲落引起的效應由於平均而減弱和消失,因而不能形成新的有序結構。只是在達到閾值以後,漲落被放大才產生宏觀效應,因而出現新的有序結構。這實質上對應於一個宏觀量級的漲落,並且由於和外界交換能量或物質而得到穩定。

耗散結構理論比較成功地解釋了複雜系統在遠離平衡態時出現耗散結構這一自然現象,並得到廣泛的應用。它已在解釋和分析流體、激光器、電子迴路、化學反應、生命體等複雜系統中出現的耗散結構方面獲得了很多有意義的結果,並且正在用耗散結構理論研究一些新的現象。諸如核反應過程,生態系統中的人口分布,環境保護,交通運輸和城市發展等,都可當作遠離平衡態的複雜系統來研究。這方面的工作也取得了一定的進展。

耗散結構的研究揭示了一種重要的自然現象,並對複雜系統的研究提出了新的方向。在數學上描述複雜系統的方程通常是非線性的,一般包括分岔現象。耗散結構實質上對應於系統方程在遠離平衡區的一個分岔解。因此,耗散結構的研究必然促進分岔理論的發展。

耗散結構的產生是一種突變現象,研究這類現象有助於豐富突變論的內容。在隨機理論方面,耗散結構的研究會促進隨機過程論、隨機微分方程理論和隨機偏微分方程理論的研究和發展。

在物理學方面,耗散結構的概念擴大和加深了物理學中的有序概念。對不同物理體系中各種耗散結構的研究,豐富了熱力學和統計物理學中關於相變的研究內容,開闢了新的研究領域,為物理學研究這些非平衡非線性問題提供了新概念和新方法。

在化學和生物學方面,化學反應系統和生物學系統中耗散結構的研究,為生命體的生長發育和生物進化過程提供了新的解釋,提供了新的概念和方法。在系統科學方面,耗散結構理論利用數學和物理學的概念和方法研究複雜系統的自組織問題,成為系統學的一個重要組成部分。

2 耗散理論 -相關條目

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