粉象新经济-新经济包含哪些产业

耗散结构关于“耗散结构”的理论是物理学中非平衡统计的一个重要新分支是由比利时科学家伊里亚·普里戈津I．于20世纪70年代提出的由于这一成就普里戈津获年诺贝尔化学奖差不多是同一时间西德物理学家赫尔曼·哈肯H．提出了从研究对象到方法都与耗散结构相似的“协同学”哈肯于年获美国富兰克林研究院迈克尔逊奖现在耗散结构理论和协同学通常被并称为自组织理论我们首先从几个例子看一下究竟什么是耗散结构天空中的云通常是不规则分布的但有时蓝天和白云会形成蓝白相间的条纹叫做天街这是一种云的空间结构容器装有液体上下底分别同不同温度的热源接触下底温度较上底高当两板间温差超过一定阈值时液体内部就会形成因对流而产生的六角形花纹这就是著名的贝纳德效应它是流体的一种空间结构在贝洛索夫—一萨波金斯基反应中当用适当的催化剂和指示剂作丙二酸的溴酸氧化反应时反应介质的颜色会在红色和蓝色之间作周期性变换这类现象一般称为化学振荡或化学钟是一种时间结构在某些条件下这类反应的反应介质还可以出现许多漂亮的花纹·此即萨波金斯基花纹它展示的是一种空间结构在另外一些条件下萨波金斯基花纹会成同心圆或螺旋状向外扩散象波一样在介质中传播这就是所谓化学波这是一种时间一一空间结构诸如此类的例子很多它们都属于耗散结构的范畴为了从各不相同的耗散结构实例中找出其本质的特征和规律普里戈津学派研究了非平衡热力学继承和发展了前人关于物理学中相变的理论运用了当代非线性微分方程以及随机过程的数学知识揭示出耗散结构有如下几方面的基本特点。

首先产生耗散结构的系统都包含有大量的系统基元甚至多层次的组分贝纳德效应中的液体包含大量分子天空中的云包含有由水分子组成的水蒸气、液滴水晶和空气因而是含有多组分多层次的系统至于贝洛索夫——萨波金斯基反应其中不仅含有大量分子原子和离子并且有许多化学成分不仅如此在产生耗散结构的系统中基元间以及不同的组分和层次间还通常存在着错综复杂的相互作用其中尤为重要的是正反馈机制和非线性作用正反馈可以看作自我复制自我放大的机制是“序”产生的重要因素而非线性可以使系统在热力学分支失稳的基础上重新稳定到耗散结构分支上

第二产生耗散结构的系统必须是开放系统必定同外界进行着物质与能量的交换天街中的云一定会和周围的大气和云进行物质交并和外界进行能量交换如欲维持贝洛索夫一萨波金斯基反应中的时间、空间时间——空间结构则需不断地向进行反应的容器中注入所需的化学物质这正是系统与外界的物质交换耗散结构之所以依赖于系统开放是因为根据热力学第二定律一个孤立系统的熵要随时间增大直至极大值此时对应最无序的平衡态也就是说孤立系统绝对不会出现耗散结构而开放系统可以使系统从外界引入足够强的负熵流来抵消系统本身的熵产生而使系统总熵减少或不变从而使系统进入或维持相对有序的状态。

第三产生耗散结构的系统必须处于远离平衡的状态为了简单说朋问题先举一个有关平衡状态的例子假定暖水瓶是完全隔热的里边放入温水盖上瓶塞其中的水不再受外界任何影响最后水就进入一种各处温度均匀没有宏观流动和翻滚且不再随时间改变的状态叫平衡态相应的结构称为平衡结构根据热力学理论在这种状态下是不可能出现任何耗散结构的如果把瓶塞打开用细棒搅拌瓶中的水这时系统内发生翻滚流动脱离平衡态但若重新盖上瓶塞经过足够长时间系统又将不可避免的驰豫到新的平衡态仍不会有耗散结构这表明系统虽走出了平衡态但离开平衡态不够“远”要想使系统产生耗散结构就必须通过外界的物质流和能量流驱动系统使它远离平衡至一定程度至少使其越过非平衡的线性区即进入非线性区最明显的例子是贝纳德效应若上下温差很小不会出现六角形花纹表明系统离开平衡态不够远待温差达到一定程度即离开平衡态足够远才发生贝纳德对流这里强调指出耗散结构与平衡结构有本质的区别平衡结构是一种“死”的结构它的存在和维持不依赖于外界、而耗散结构是个“活”的结构它只有在非平衡条件下依赖于外界才能形成和维持由于它内部不断产生熵就要不断地从外界引入负熵流不断进行“新陈代谢”过程一旦这种“代谢”条件被破坏这个结构就会“窒息而死”所有自然界的生命现象都必须用第二种结构来解释。

第四耗散结构总是通过某种突变过程出现的某种临界值的存在是伴随耗散结构现象的一大特征如贝纳德对流激光化学振荡均是系统控制参量越过一定阈值时突然出现的最后耗散结构的出现是由于远离平衡的系统内部涨落被放大而诱发的什么是涨落呢举个例子密闭容器内的气体如果不受周围环境的影响或干扰就会像前面所说的那样达到平衡态不难想象这时容器内各处气体的密度是均匀的然而由于大量气体分子作无规则热运动而且相互碰撞可能某瞬时容器内某处的密度略微偏大另一瞬时又略微偏小即密度在其平均值上下波动这种现象就叫涨落如果仅限于讨论处于平衡态气体内部的涨落意义并不十分大虽然无规则运动和碰撞的存在将不时产生相对于平衡的偏差但由于同样的原因这种偏差又不断地平息下去从而平衡得以维持在远离平衡时意义就完全不同了微小的涨落就能不断被放大使系统离开热力学分支而进入新的更有序的耗散结构分支涨落之所以能发挥这么大的作用是因为热力学分支的失稳已为这一切准备好了必要的条件涨落对系统演变所起的是一种触发作用。

综述以上各点概括起来说所谓耗散结构就是包含多基元多组分多层次的开放系统处于远离平衡态时在涨落的触发下从无序突变为有序而形成的一种时间空间或时间——空间结构耗散结构理论的提出对当代哲学思想产生了深远的影响该理论引起了哲学家们的广泛注意在耗散结构理论创立前世界被一分为二：其一是物理世界这个世界是简单的、被动的、僵死的不变的可逆的和决定论的量的世界；另一个世界是生物界和人类社会这个世界是复杂的、主动的、活跃的、进化的不可逆和非决定论的质的世界物理世界和生命世界之间存在着巨大的差异和不可逾越的鸿沟它们是完全分离的从而伴随而来的是两种科学两种文化的对立而耗散结构理论则在把两者重新统一起来的过程中起着重要的作用耗散结构理论极大地丰富了哲学思想在可逆与不可逆对称与非对称平衡与非平衡有序与无序、稳定与不稳定简单与复杂局部与整体决定论和非决定论等诸多哲学范畴都有其独特的贡献耗散结构理论可以应用于研究许多实际现象上面所谈的“天街、贝纳德效应以及贝洛索夫——萨波金斯基反应分别属于物理和化学范畴值得提到的是在生命现象中也包含有多层次多组分例如从种群、个体、器官、组织、细胞以及于生物分子各层次间以及同一层次的各种组分间存在着更为复杂的相互作用生命系统需要新陈代谢因而必定是开放系统再者生命系统必然是远离平衡的因此生命系统成为耗散结构理论应用的对象是十分自然的这方面目前取得较多进展的有动物体内释放能量的生化反应糖酵解的时间振荡还有关于肿瘤免疫监视的问题以及一些生态学中的问题。

从广义讲人类社会也是远离平衡的开放系统因此像都市的形成发展城镇交通航海捕鱼教育经济问题等社会经济问题也可作为耗散结构理论应用的领域耗散结构理论自提出以来一直在理论和实际应用两个方面同时拓展今后的发展也可望顺着这个路子往下走因为并非一切远离平衡的复杂性开放系统的行为都可以归纳为耗散结构所以作为更高层次的一般研究复杂系统的系统科学的一个分支理论面对纷繁复杂的实际世界其未来充满挑战也面对机会可谓任重道远

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