浅谈耗散结构理论的应用和科学价值

第19卷第2期三明高等专科学校学报2002年6月　　　　　　　　　　　　Vol.19No.2JOURNALOFSANMINGCOLLEGEJun.2002

浅谈耗散结构理论的应用和科学价值

池英剑

(福建三明林业学校,福建三明　365001)

[摘要]概述耗散结构理论及其发展进程和耗散结构理论应用研究的情况,阐述耗散结构理论的科学价值。

[关键词]耗散结构理论;应用;科学价值

[中图分类号]O415.3　　[文献标识码]A　　[文章编号]1671-1343(2002)02-0104-05

耗散结构(dissipativestructure)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。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构,由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持,因此称之为“耗散结构”。热力学第二定律告诉我们,一个孤立系统的熵一定会随时间增大,直到达到极大值,系统达到最无序的平衡态,所以孤立系统绝不会出现耗散结构。而在开放的条件下,系统的熵增量是由系统与外界的熵交换和系统内的熵产生两部分组成的,即:ds=dis+des。外界给系统注入的熵可为正、零或负。只要这个负熵流足够强,它就除了抵消掉系统内部的熵产生外,还能使系统的总熵增量为负,总熵减小,从而使系统进入相对有序的状态。所以在开放条件下,系统可以通过自发的对称性破缺从无序进入有序的耗散结构状态[1-2]。例如,从下方加热液体,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,我们称之为贝纳尔流图像,就是液体中的一种耗散结构。

耗散结构理论是研究一个开放系统在远离平衡的非线性区产生耗散结构的机理和规律的一种理论。耗散结构理论为[3-5]:一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质、能量和信息,系统中存在有非线性动力过程和正负反馈机制,在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时,通过涨落及负熵的增加,系统可能发生突变即非平衡相变,由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上新的有序的耗散结构。

耗散结构理论的创始人是伊里亚-普里高津(IlyaPrigogine)教授。由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献,他荣获了1977年诺贝尔奖。耗散结构理论于1969年由普里高津在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。1971年,普里高津等人写成著作《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。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。1977年普里高津等人所著《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[收稿日期]2001-04-15

[作者简介]池英剑(1966-),男,福建尤溪人,福建三明林业学校讲师。

论在社会经济系统等方面的应用。

1　耗散结构理论的应用

耗散结构理论成功地解释了复杂系统在远离平衡态时出现耗散结构这一自然现象,已在解释和分析流体、激光器、电子回路、化学反应等复杂系统中出现的耗散结构方面获得了很多有意义的结果,在生物生态、地质科学、地球物理和社会科学等领域也有广泛的应用。

1.1　在生物生命科学和生态科学中的应用

在生物生命科学中,从分子到细胞、从结构到功能、从个体到群体,都可以观察到各种各样的时空有序现象。对这些有序现象的解释长期以来一直是生物生命科学的难题。但是,若从耗散结构理论指明的方向来看,就可能找到解决的办法。这方面一个典型的例子是耗散结构理论对糖酵解反应体系出现的振荡现象的解释[6]。糖酵解是呼吸代谢中的一个关键的链式反应体系。实验发现,在某些条件下,糖酵解过程中所有中间产物的浓度会随时间振荡,呈现出一种时间有序化行为。从热力学分析可知,糖酵解反应体系是一个远离平衡的体系,其间存在着大量的反馈步骤。因此,从耗散结构理论的角度来看,时间振荡行为的出现就具有客观必然性。事实上,有人已根据热力学和动力学建立了糖酵解反应体系的非线性方程组,利用数值积分的方法已经模拟出了与实验定性一致的结果,从耗散结构理论角度较好地解释了生命体系中出现的糖酵解振荡这样一个时间有序化现象[1]。生物体系本身就可能是一种耗散结构。目前国内外已有不少科学工作者用耗散结构理论来探索和解释各种生命过程。我国医学工作者已尝试根据耗散结构理论促进中西医学融合,以形成新质水平的医学科学体系。

耗散结构理论应用于生态系统的研究,例如我国211程项目《西南能矿资源开发利用及三峡库区环境保护》的研究,就是立足于世界上规模最大、生态环境最复杂的长江三峡库区生态系统(自然生态和社会生态)。其研究内容就包括有库区生态环境的非平衡态耗散结构、非线性动力学模型等。

1.2　在水文、地质科学和地球物理等领域的应用

我国申报的国家自然科学基金“喀斯特流域地貌水文系统数学模型研究”课题,其主要研究成果之一是:从耗散结构理论,水流塑造形态、形态约束水流这种双效应反馈系统分析,阐明

[8]具有独立研究意义的“喀斯特水文地貌学”(KarstHydrogeomorphology)这一新的交叉学科[7]

的理论方法,把喀斯特水文与地貌当作耗散结构系统,深入研究了喀斯特流域特性、类型,喀斯特流域溶蚀过程的时空尺度差异,喀斯特流域系统地貌发育规律、演化模式和系统演化数学模型,以及喀斯特流域产流、汇流机理,探索了利用地貌响应参数识别水文系统过程及进行水文预报的地貌学方法。西北农林科技大学冯国章博士,认为水文生态系统是一个由水文系统和生态系统复合而成的,集水文循环与生态进化及其共同的自然环境和人工环境于一体的,具有耗散结构和远离平衡态的、开放的、动态的、非线性的复杂巨系统,借助耗散结构理论深入地定量研究水事活动对水文生态系统的影响及防止、减轻或消除水事活动负效应的对策。南京大学地质系孙岩、杨树峰、张庆龙、崔卫东等借鉴于耗散结构理论,从非平衡态的观念探讨了断裂成岩成矿系统中的有关问题,其中包括:开放系统、有序结构、功能作用和涨落旋回等,论述了断裂成岩成矿系统的耗散结构。中国地质大学於崇文教授提出“地球化学作用与时-空结构”的理论观点并以耗散结构理论为基础建立新的地球化学理论体系与方法论。中国科学院广州地球化学研究所王江海研究员运用耗散结构理论,把混合岩的时空有序结构看成民远离平衡态的耗散结构,并建立了混合岩形成的非线性动力学模型。

1.3　在社会科学领域的作用

现代社会高度的物质流通和信息化,它的时空有序和自组织,表明社会也是一个开放系统的耗散结构。有的学者应用耗散结构理论分析了产业企业的生存与发展,得出了一些有意义的结果,提出了“耗散结构体”[9]这个理论作为耗散结构理论的补充和发展。该理论认为,对于产业企业来说,只要其存在,就是一个耗散结构体,系统的存在就是系统耗散结构态的维持与发展。我国与第三世界发展中国家间最大的经济合作项目,被邓小平同志誉为“南南合作典范”的中国-阿拉伯化肥有限公司把企业做为耗散结构来研究,把耗散结构理论做为企业运作的指导理念,将其贯穿于公司的各管理层面。为使管理水平适应企业发展的需要,总经理武四海积极探索,以科学求实的精神构筑中阿公司的管理框架:以“耗散结构”理论为指导,建立“精神动力+制度约束+饱满工作量”的管理模式,实行“N-1,N-2”与“员工ABC制”的管理制度。

据报道[10-12],有的学者引用耗散结构理论对区域社会经济系统进行耗散结构模式研究,提出了区域社会经济系统熵公式,探讨了区域社会经济系统相变的扰动因素及其扰动结果,分析了区域社会经济系统的非平衡态及其驱动方向,构造出了区域社会经济的发展与社会、生态相适应的耗散结构模式;有的学者对信息市场的特征进行耗散结构理论分析研究,并提出有利于我国信息市场健康发展的可行性对策等;有的把耗散结构理论应用于大学生的管理领域,提出科学的管理模式。北京师范大学前校长,中国国情研究会副会长方福康教授将耗散结构理论的研究扩展到社会经济系统,在经济增长理论、经济系统对称性的分析、教育经济效益分析、经济系统多因子模型分析、人力资源经济等问题上都已作出具体结果。

2　耗散结构理论的科学价值

普里高津教授坚定地认为混沌与耗散结构代表了宇宙万物的根本规律,并运用他智慧的头脑、广博的知识、天才的幽默来证明耗散结构理论内核的普遍适用性。普里高津教授第一次把可逆时间和不可逆时间、无序和有序、偶然性和必然性、热力学和动力学、物理学和生物学、自然科学与人文科学、西方文化传统与中国文化传统等都带到同一个新框架之内,并探讨它们相互间的关系,从而形成一种全新的科学观和自然观。耗散结构理论提出后,在自然科学和社会科学的很多领域如物理学、天文学、生物学、经济学、哲学等都产生了巨大影响。美国著名未来学家阿尔文-托夫勒(Alvintoffler)在评价普里高津的思想时,认为它可能代表了一次科学革命[13]。

2.1　促进了物理学、数学和生态学等学科的发展

2.1.1　在物理学方面,耗散结构的概念扩大和加深了物理学中的有序概念。

对不同物理体系中各种耗散结构的研究,丰富了热力学和统计物理学中关于相变的研究内容,开辟了新的研究领域,为物理学研究这些非平衡非线性问题提供了新概念和新方法。在很长的时间中,物理学家认为确定性和可逆性是一切物质运动的基本属性,是一切自然规律确立的先决条件,因此本质上讲物质的存在没有方向和历史。普里高津终于使物理科学彻底改变了传统的观念,承认自然界存在的最大量的过程是随机的、不可逆的和有方向性的过程,承认非生命系统也有类似生物进化的从混沌到有序的演化过程。

2.1.2　在数学方面,耗散结构理论促进了分岔理论,随机过程论的发展。

耗散结构理论描述复杂系统的方程通常是非线性的,一般包括分岔现象。耗散结构实质上对应于系统方程在远离平衡区的一个分岔解。因此,耗散结构的研究必然促进分岔理论的发展。耗散结构的产生是一种突变现象,研究这类现象丰富了突变论的内容,促进随机过程论、随机微分方程理论和随机偏微分方程理论的研究和发展。

2.1.3　在生态学方面,为生态复杂性研究提供了理论基础。

生态复杂性是生态学研究的重要内容。过去有关生态复杂性研究的热点主要是在群落或生态系统水平上探讨复杂性与稳定性之间的关系。近年来,国际上生态复杂性研究出现了一个新动向,研究内容涉及到生态系统内不同层次上的结构和功能。生态系统功能是生态系统的基本特征和生态系统自组性的体现,它与生态系统结构的辩证关系体现了生态平衡的实质内容。耗散结构理论认为,生态系统的自组织能力依赖于结构有序性,有序性又以自组织为目标,二者的相互协调与耦合,共同促成生态平衡和生态系统的良性循环。

2.2　为其他学科提供了研究工具、崭新的思维方式和解决问题的方法

随着耗散结构理论这一当代前沿科学理论的不断发展与成熟,耗散结构理论被广泛地用作其它学科的研究工具。它不仅为探索航天控制、动力工程、机电工程、控制工程、通讯工程、交通工程、环境工程、生态工程、生命系统及社会、经济、教育系统诸多领域复杂问题的规律性提供了强有力的工具,也为认识复杂系统提供了崭新的思维方式和解决问题的方法。

2.2.1　耗散结构理论为经济学和综合国力的研究提供强有力的理论武器。

经济学中的运用复杂系统分析宏观经济数据,已存在研究基地有普里高津复杂系统研究所等,其主要致力于对经济周期、宏观经济现象的复杂性进行研究。在综合国力的研究中,以定性分析和定量分析、专家知识与建模计算相结合的方法,即钱学森教授所创导的“综合集成”方法,从综合国力的战略高度去研究国家盛衰的变化,揭示增强综合国力的发展规律:试图把国家综合国力的演变过程视作为一个庞杂的动态的混沌巨系统,将国家综合国力盛衰发展规律类比于生物系统的生存竞争和进化发展过程,把增强综合国力研究置于严密的数学物理基础之上,建立了“综合国力动态方程”和“综合国力盛衰动态方程”等模型体系,用量化分析手段辅助定性论证国家综合国力的盛衰规律,借以寻求增强综合国力的对策。借助耗散结构论,论证了国家综合国力的盛衰是一种混沌现象,是一个庞杂的、非线性的动态系统。它具有“蝴蝶效应”、分形几何、临界状态、奇怪吸引子、普适性、自组织性、非线性等特征。

2.2.2　耗散结构论对教学理论的研究有新的启发。

教学实践和理论研究表明:知识、能力、人格三者的关系正如耗散结构论中的结构、功能、涨落之间的关系。知识与能力的相互联系和转化是“决定性的”(或说是确定性的):掌握某种知识会促进相应能力的提高;增强某种能力有助于掌握相关的知识。人格除了有决定性的一面,还有非决定性的一面,即有随机性。人格是可变化的,随着环境的改变、时代的变迁、事件的刺激,人格会发生很大变化。无论我们相信“人之初,性本善”(孟子),还是相信“人之初,性本恶”(荀子),等等,人格可变是不可动摇的事实。在耗散结构论中,“通过涨落的有序”是一条新的规律;在教育理论中,“通过人格的有序”也应是一条规律。通过人格的塑造,能使知识、能力、人格三者形成更强大的结构,产生整体的功能。

2.3　产生了新的边缘学科、新产品和新工艺,促进科学理论向生产力的转化

随着耗散结构理论的应用和发展,产生了复杂性科学[15]、生物物理学、生态物理学等边缘科学。复杂性科学是国外在80年代提出的范畴,主要研究复杂性和复杂系统。它目前虽然还处于萌芽状态,但已被有些科学家誉为“21世纪的科学”。生物物理学的创立则是人类用物理学知识去揭示生命之谜的一个极其重要的里程碑,它为生命科学、生物工程展现出一个无限美好的前景。耗散结构理论对生态系统的研究提出了新的方向,利用数学和物理学的概念和方法研究生态系统的问题,产生了生态物理学。耗散结构理论对于新材料的研究有指导意义。随着材料科学与技术的发展,人们已能制备出多种多样具有独特性能且远离平衡态的材料,如[14,15]

智能材料(SmartMaterials或者IntelligentMaterialSystem)。耗散结构理论在研究生物糖酵解振荡过程中,发现这种振荡过程可以提高能量的利用率,预示着一种新的振荡式的化工生产流程的诞生。

近几年来,我国一些科学工作者对耗散结构理论的研究和应用已初见成效,如根据该理论建立治疗动脉粥样硬化的方案,解释蜜蜂、白蚁的活动特征等等。耗散结构理论的崛起,使人们看到多学科互相渗透的边缘科学与横跨各学科的横断科学正如雨后春笋般涌现,并取得越来越显著的地位。从人和自然的关系看,从经济、文化、军事、到城市规划、市场管理、人口控制、生产服务等等,耗散结构理论都有十分诱人的应用前景。随着对耗散结构理论的研究和应用的不断深入,耗散结构理论也将为科学发展和社会进步发挥更大的作用。

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(责任编辑:叶　普)

OnApplicationandScientificValue

ofDissipativeStructureTheory

CHIYing-jian

(FujianSanmingForestrySpecializedSchool,Sanming365001,China)

Abstract:Thearticlesummarizesdissipativestructure,thetheoryandthedevelopmentofdissipativestructure.Itdiscussesthetheoreticalapplicationofdissipativestructure.Anditalsoelaboratesscientificvalueofdissipativestructuretheory.

Keywords:dissipativestructuretheory;application;scientificvalue.