耗散結構理論可概括為：一個遠離平衡態(tài)的非線性的開放系統(不管是物理的、化學的嘴拢、生物的乃至社會的、經濟的系統)通過不斷地與外界交換物質和能量赌结，在系統內部某個參量的變化達到一定的閾值時柬姚，通過漲落庄涡，系統可能發(fā)生突變即非平衡相變，由原來的混沌無序狀態(tài)轉變?yōu)橐环N在時間上宴合、空間上或功能上的有序狀態(tài)卦洽。這種在遠離平衡的非線性區(qū)形成的新的穩(wěn)定的宏觀有序結構斜棚，由于需要不斷與外界交換物質或能量才能維持该窗，因此稱之為“耗散結構”(dissipative structure)酗失∶列澹可見夜畴，要理解耗散結構理論，關鍵是弄清楚如下幾個概念：遠離平衡態(tài)兑牡、非線性税灌、開放系統、漲落边酒、突變狸窘。
我們首先從幾個例子看一下究竟什么是耗散結構。天空中的云通常是不規(guī)則分布的陋气，但有時藍天和白云會形成藍白相間的條紋引润，叫做天街，這是一種云的空間結構议慰。容器裝有液體奴曙，上下底分別同不同溫度的熱源接觸，下底溫度較上底高炉菲，當兩板間溫差超過一定閾值時，液體內部就會形成因對流而產生的六角形花紋嘱丢，這就是著名的貝納德效應祠饺，它是流體的一種空間結構。在貝洛索夫—一薩波金斯基反應中伐谈，當用適當的催化劑和指示劑作丙二酸的溴酸氧化反應時试疙，反應介質的顏色會在紅色和藍色之間作周期性變換祝旷，這類現象一般稱為化學振蕩或化學鐘，是一種時間結構距贷。在某些條件下這類反應的反應介質還可以出現許多漂亮的花紋·吻谋，此即薩波金斯基花紋，它展示的是一種空間結構阁最。在另外一些條件下骇两，薩波金斯基花紋會成同心圓或螺旋狀向外擴散，象波一樣在介質中傳播配阵，這就是所謂化學波示血，這是一種時間一一空間結構。諸如此類的例子很多难审，它們都屬于耗散結構的范疇。為了從各不相同的耗散結構實例中找出其本質的特征和規(guī)律拂铡，普里戈津學派研究了非平衡熱力學,繼承和發(fā)展了前人關于物理學中相變的理論，運用了當代非線性微分方程以及隨機過程的數學知識感帅，揭示出耗散結構有如下幾方面的基本特點失球。
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豺撑。貝納德效應中的液體包含大量分子黔牵。天空中的云包含有由水分子組成的水蒸氣、液滴陆错，水晶和空氣金赦，因而是含有多組分多層次的系統夹抗。至于貝洛索夫——薩波金斯基反應，其中不僅含有大量分子原子和離子杏愤，并且有許多化學成分沽甥。不僅如此摆舟，在產生耗散結構的系統中邓了，基元間以及不同的組分和層次間還通常存在著錯綜復雜的相互作用，其中尤為重要的是正反饋機制和非線性作用照宝。正反饋可以看作自我復制自我放大的機制厕鹃，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(wěn)的基礎上重新穩(wěn)定到耗散結構分支上剂碴。
第二，產生耗散結構的系統必須是開放系統察蹲，必定同外界進行著物質與能量的交換催训。天街中的云一定會和周圍的大氣和云進行物質交并和外界進行能量交換漫拭。如欲維持貝洛索夫一薩波金斯基反應中的時間、空間儿捧，時間——空間結構挑宠，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懒鉴。耗散結構之所以依賴于系統開放是因為根據熱力學第二定律临谱，一個孤立系統的熵要隨時間增大直至極大值奴璃，此時對應最無序的平衡態(tài)，也就是說孤立系統絕對不會出現耗散結構抄课。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雳旅，從而使系統進入或維持相對有序的狀態(tài)。
第三抵拘，產生耗散結構的系統必須處于遠離平衡的狀態(tài)僵蛛。為了簡單說朋問題，先舉一個有關平衡狀態(tài)的例子墩瞳。假定暖水瓶是完全隔熱的，里邊放入溫水热凹，蓋上瓶塞般妙，其中的水不再受外界任何影響相速，最后水就進入一種各處溫度均勻，沒有宏觀流動和翻滾且不再隨時間改變的狀態(tài)苫拍，叫平衡態(tài)旺隙，相應的結構稱為平衡結構。根據熱力學理論垄提，在這種狀態(tài)下是不可能出現任何耗散結構的铡俐。如果把瓶塞打開妥粟，用細棒攪拌瓶中的水，這時系統內發(fā)生翻滾流動滩报，脫離平衡態(tài)锦秒。但若重新蓋上瓶塞喉镰，經過足夠長時間，系統又將不可避免的馳豫到新的平衡態(tài)生真，仍不會有耗散結構。這表明系統雖走出了平衡態(tài)川蒙，但離開平衡態(tài)不夠“遠”长已。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康聂，至少使其越過非平衡的線性區(qū)恬汁，即進入非線性區(qū)辜伟。最明顯的例子是貝納德效應，若上下溫差很小约巷，不會出現六角形花紋烘豌，表明系統離開平衡態(tài)不夠遠。待溫差達到一定程度囚聚，即離開平衡態(tài)足夠遠顽铸，才發(fā)生貝納德對流料皇。這里強調指出，耗散結構與平衡結構有本質的區(qū)別鬼譬。平衡結構是一種“死”的結構优质，它的存在和維持不依賴于外界、而耗散結構是個“活”的結構演怎，它只有在非平衡條件下依賴于外界才能形成和維持避乏。由于它內部不斷產生熵，就要不斷地從外界引入負熵流歹叮，不斷進行“新陳代謝”過程盗胀，一旦這種“代謝”條件被破壞锄贼，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屑迂。
第四冯键，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征手报，如貝納德對流掩蛤，激光陈肛，化學振蕩均是系統控制參量越過一定閾值時突然出現
的。
最后阳藻，耗散結構的出現是由于遠離平衡的系統內部漲落被放大而誘發(fā)的谈撒。什么是漲落呢?舉個例子啃匿，密閉容器內的氣體，如果不受周圍環(huán)境的影響或干擾冒萄，就會像前面所說的那樣達到平衡態(tài)尊流，不難想象灯帮，這時容器內各處氣體的密度是均勻的。然而由于大量氣體分子作無規(guī)則熱運動而且相互碰撞迎献，可能某瞬時容器內某處的密度略微偏大吁恍，另一瞬時又略微偏小播演，即密度在其平均值上下波動。這種現象就叫漲落翼闽。如果僅限于討論處于平衡態(tài)氣體內部的漲落洲炊，意義并不十分大暂衡。雖然無規(guī)則運動和碰撞的存在將不時產生相對于平衡的偏差。但由于同樣的原因這種偏差又不斷地平息下去拓提，從而平衡得以維持隧膘。在遠離平衡，意義就完全不同了蹦疑，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歉摧。漲落之所以能發(fā)揮這么大的作用是因為熱力學分支的失穩(wěn)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(fā)作用再悼。
綜述以上各點概括起來說膝但，所謂耗散結構就是包含多基元多組分多層次的開放系統處于遠離平衡態(tài)時在漲落的觸發(fā)下從無序突變?yōu)橛行蚨纬傻囊环N時間，空間或時間——空間結構莺奸。耗散結構理論的提出對當代哲學思想產生了深遠的影響冀宴，該理論引起了哲學家們的廣泛注意。在耗散結構理論創(chuàng)立前甚疟，世界被一分為二：其一是物理世界古拴，這個世界是簡單的真友、被動的、僵死的盔然，不變的可逆的和決定論的量的世界愈案；另一個世界是生物界和人類社會，這個世界是復雜的站绪、主動的、活躍的魂挂、進化的涂召，不可逆和非決定論的質的世界敏沉。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炎码，它們是完全分離的潦闲，從而伴隨而來的是兩種科學迫皱，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赵辕，在可逆與不可逆，對稱與非對稱饲握，平衡與非平衡救欧，有序與無序锣光、穩(wěn)定與不穩(wěn)定，簡單與復雜蹬刷，局部與整體频丘，決定論和非決定論等諸多哲學范疇都有其獨特的貢獻。耗散結構理論可以應用于研究許多實際現象迂卢。上面所談的“天街桐汤、貝納德效應以及貝洛索夫——薩波金斯基反應分別屬于物理和化學范疇，值得提到的是在生命現象中也包含有多層次多組分拍摇，例如從種群充活、個體、器官映穗、組織幕随、細胞以及于生物分子，各層次間以及同一層次的各種組分間存在著更為復雜的相互作用辕录。生命系統需要新陳代謝梢卸，因而必定是開放系統。再者生命系統必然是遠離平衡的蚣旱。因此生命系統成為耗散結構理論應用的對象是十分自然的戴陡。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蕩恤批，還有關于腫瘤免疫監(jiān)視的問題以及一些生態(tài)學中的問題。
從廣義講喜庞，人類社會也是遠離平衡的開放系統。因此笋妥，像都市的形成發(fā)展窄潭，城鎮(zhèn)交通，航海捕魚月帝，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嚷辅。耗散結構理論自提出以來距误，一直在理論和實際應用兩個方面同時拓展扁位，今后的發(fā)展也可望順著這個路子往下走域仇。因為并非一切遠離平衡的復雜性開放系統的行為都可以歸納為耗散結構暇务，所以怔软，作為更高層次的一般研究復雜系統的系統科學的一個分支理論，面對紛繁復雜的實際世界括改，其未來充滿挑戰(zhàn)叹谁，也面對機會乘盖，可謂任重道遠订框。
小結
耗散結構理論穿扳，是系統理論發(fā)展的第二個階段矛物。這個階段的理論主要是對系統作動態(tài)描述履羞。即研究系統是如何維持存在的屡久。系統內部各子系統之間是如何相互作用的被环，這些研究為人類認識系統功能筛欢，并最終介入系統運動唇聘，控制系統為人類利益服務打下基礎雳灾。
《一個比喻：錢對人的作用》
為了更清楚地說明熵和有序行為之間的關系也許我們可以用一位打算省錢的先生可取的選擇作比喻谎亩。如果他是一文不名，那么他在消費上的改變匈庭，相當于平衡態(tài)時阱持，熵的變化：是零魔熏。也就是說，對于一個完全沒錢的人镶骗，也不存在對錢的支配的問題鼎姊。這樣根本不存在與錢有關的任何問題。這就叫做“平衡”相赁。實際上是一種無生命的狀態(tài)相寇。然而真實的世界不是處于平衡態(tài)。所以我們這位希望省錢的先生钮科，其實有少量的錢唤衫。在這種情況下，他能做的是绵脯，除必須花費一些飲食上以外佳励，他要把他的開銷降低到能使他活下來的最低水平。這時這位先生離開平衡態(tài)有了一段距離桨嫁。因為他有了一點線植兰，因此，也就有了一些較低水平的少量的活動璃吧。這里畜挨，這位先生毡咏，有生命活動堵泽，但不多迎罗，因為錢少砂豌。距離平衡點的距離太近∷＃現在讓我們來看遠離平衡時會發(fā)生什么情況映跟。即球恤，如果這位先生有許多錢，那么他除了可以盡量吃好外，要買一所房子宛逗，房子要裝修替蔬，要娶老婆，維持一個家凶异。要把一部分錢存在銀行里，更重要的是粪摘，要合乎一部分錢辦一個實業(yè)苔悦，以便資本升值玖详，不至于坐吃山空。等到實業(yè)辦好了，又想到通過實業(yè)使資本升值周期太慢，最快的方法是投資金融業(yè)芹彬，以錢變錢。如此這般好乐，這里這位先生不僅每天要跑工廠，跑銀行，跑交易所淮蜈，還要乘飛機到處跑裁眯。以便節(jié)省時間。手里合乎著手機，不停地與名方面通話它改，這叫做信息截亦，甚至夜里也不能安眠——這就是說，當他有很多錢，遠離了平衡態(tài)時，他就表現出充分的生命力，可以干許多事情。反過來趁啸，也可以說，正是這些錢使這位先生遠離了平衡態(tài)。
自組織與耗散
自組織現象是指自然界中自發(fā)形成的宏觀有序現象。在自然界中這種現象是大量存在的，理論研究較多的典型實例如：貝納德(Bénard)流體的對流花紋疫向，貝洛索夫－扎鮑廷斯基(Belousov-Zhabotinsky)化學振蕩花紋與化學波舌涨，激光器中的自激振蕩等革为。自組織理論除耗散結構理論外蜓堕，還包括協同學霜旧、超循環(huán)理論等儿普，它們力圖溝通物理學與生物學甚至社會科學，對時間本質問題等的研究有突破性進展，在相當程度上說明了生物及社會領域的有序現象广恢。耗散結構是自組織現象中的重要部分糠聪，它是在開放的遠離平衡條件下身害，在與外界交換物質和能量的過程中猾瘸，通過能量耗散和內部非線性動力學機制的作用揽思，經過突變而形成并持久穩(wěn)定的宏觀有序結構。
附一些常見概念：
1系統的分類：
a孤立系統：與環(huán)境既沒有物質交換也沒有能量交換
b封閉系統：與環(huán)境有能量交換，但沒有物質交換
c開放系統：與環(huán)境既有能量交換，也有物質交換
因為自然界中，真正的孤立系統實際上是不存在的，所以在實際工作中，人們常將孤立系統與封閉系統兩個概念混用。
2熱力學第二定律：任何孤立系統都會因為熱量的散失，而與環(huán)境達到熱平衡而失去做功能的能力。物理學將散失的熱量稱為“熵”，這樣惯吕，熱力學第二定律又可表述為：一個孤立系統最終都將達到一個最大熵的熱平衡狀態(tài)堡距。（宇宙熱死）
3研究發(fā)現對于復雜系統物質來講虎韵，雖然也存在熱的散失养晋，但系統并未走向與環(huán)境達到熱平衡的狀態(tài)，相反，復雜系統可以處在遠離熱平衡的狀態(tài)不變。
4研究發(fā)現：之所以出現上述現象，是因為復雜系統是一個“開放系統”。它除了向環(huán)境排出物質及耗散能量之外，還能不斷地從外環(huán)境得到物質和能量的補充。
5負熵：物理學將從環(huán)境得到的物質和能量稱為“負熵”操禀。因此，物理學給生命下的定義是：生命以負熵為生。
6這樣得出耗散結構理論的第一條內容：
開放系統：系統要想保持自身的結構和功能狀態(tài)纫塌，必須是一個開放系統怎披，必須不斷從環(huán)境獲取物質和能量的補充状飞。
7以第一條內容為基礎，得出第二條內容：
遠離平衡態(tài)：復雜系統的結構和功能只有在遠離平衡態(tài)時才能維持。當系統接近平衡態(tài)時，功能狀態(tài)逐漸降低，達到平衡態(tài)時系統徹底死亡。
8耗散結構理論的第三條內容：
耗散結構中有正反饋存在倦畅。耗散結構的系統，要想維持自身結構和功能的存在，必須允許系統內子系統之間有正反饋相互作用存在奏路。正是這些正反饋的存在触机，才引起系統內各種非線性的相互作用对供，并通過漲落形成穩(wěn)定的結構京景。
9耗散結構為系統發(fā)生質變厦凤、飛躍违柏，即一系統向另一系統轉化，新系統慎框、新結構的產生打下基礎：子系統不斷接收外來的物質和能量后严嗜，不斷加強的正反饋運動第队，最終會突破系統調節(jié)中樞的負反饋控制缓醋，這時脆丁，這些子系統會在新的條件下達到新的平衡，這時原系統也就轉化成新的系統翔横，新結構也就誕生了丐枉。
