耗散结构.ppt

耗散结构(dissipativestructure)引入根据熵增原理，似乎所有的过程，包括宇宙的归宿都是平衡态，即死亡状态。而我们看到的生物系统、人类历史系统，也包括宇宙系统，他们都在不停的由低级向高级发展，这究竟是为什么呢？这就是熵增原理的缺陷。也正是在这里，普里高津找到了答案，创立了耗散结构理论，完成了自然与人之间的统一。提纲1、耗散结构概念介绍2、耗散结构概念理解3、耗散结构概念应用4、对于耗散结构理论的一些疑问普里戈金在非平衡系统的线性区的研究的基础上，又开始探索非平衡热力学系统在非线性区的演化特征。在研究中发现，当系统离开平衡态的参数达到一定阈（）值时，系统将会出现“行为临界点”，在越过这种临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态；若将系统推向离平衡态更远的地方，系统可能演化出更多新的稳定有序结构，即耗散结构。yu耗散结构耗散结构是指处在远离平衡态的、复杂的系统，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。“耗散”一词起源于拉丁文，原意为消散，在这里强调与外界有能量和物质交流这一特性。举例贝纳特水花。在一扁平容器内充有一薄层液体，液层的宽度远大于其厚度，从液层底部均匀加热，液层顶部温度亦均匀，底部与顶部存在温度差。当温度差较小时，热量以传导方式通过液层，液层中不会产生任何结构。但当温度差达到某一特定值时，液层中自动出现许多六角形小格子，液体从每个格子的中心涌起、从边缘下沉，形成规则的对流。从上往下可以看到贝纳特流形成的蜂窝状贝纳特花纹图案。这种稳定的有序结构称为耗散结构。又如，化学反应中的别洛索夫—扎博京斯基反应。即：在某些条件下体系中组份的浓度并不总是均匀分布的，而是随时间和空间呈周期性的变化，它们可以形成规则的空间分布，出现放多漂亮的花纹。祥云云街耗散结构理论可概括为：一个①远离平衡态的②非线性的③开放的系统(不光是热力学系统，还包括物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过④不断地⑤与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的⑥阈值时，通过⑦涨落，系统可能发生⑧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、空间上或功能上的有序状态。可见，要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀(即可逆过程)的状态。远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态。耗散结构理论所给出的系统是一个高熵产的、宏观上有序的状态。远离平衡态非线性系统产生耗散结构的内部动力学机制，正是子系统间的非线性相互作用。在临界点处，非线性机制将微涨落放大为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，使系统稳定到新的耗散结构分支上。耦合耦合是指在开放条件下，很多复杂因素共同加强或削弱某一因素的行为。耦合不是单纯的线性叠加，而是多种因素作用的结果。耦合现在在进化系统中非常普遍。人们常说的“墙倒众人推”就是一种耦合现象。复杂系统的结构更迭就是因为开放系统具有“耦合”功能，它可以共同加强微小涨落，最后使之成长为“巨涨落”，从而形成新的结构。开放系统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而增大，熵达到极大值，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。那么开放系统为什么会出现本质上不同于孤立系统的行为呢？其实，在开放的条件下，系统的熵增量dS是由两部分组成的：系统与外界的熵交换deS和系统内的熵产生diS，即：dS=deS+diS热力学第二定律只要求系统内的熵产生非负，即diS≥0，然而外界给系统注入的熵deS可为正、零或负，这要根据系统与其外界的相互作用而定。负熵在deS0的情况下，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diS外，还能使系统的总熵增量dS为负，总熵S减小，从而使系统进入相对有序的状态。所以对于开放系统来说，系统可以通过自发的行为，从无序进入有序的耗散结构状态。孤立体系的最后必然要达到最大值，使系统达到平衡态，即，“死亡”状态；这种状态字热力学系统中到处可见。如果把它推广到人类历史发展领域，也可以得出一个结论：对于一个封闭的社会，最后也必然会进入平衡、停滞的状态。中国封建社会停滞两千多年，其根本原因就是社会封闭。涨落一个由大量子系统组成的系统，其可测的宏观量，是众多子系统的统计平均效应的反映。但系统在每一时刻的实际测度并不都精确地处于这些平均值上，而是或多或少有些偏差，这些与平均值的偏差就叫涨落，涨落是偶然的、杂乱无章的、随机的。在正常情况下，由于热力学系统相对于其子系统来说非常大，这时涨落相对于平均值是很小的，这些涨落可以被忽略掉。然而，在临界点附近，情况就大不相同了，这时涨落可能不自生自灭，而是被不稳定的系统放大，最后促使系统达到新的宏观态。突变在临界值处，原热力学分支失衡，产生新的稳定的耗散结构分支，在这一过程中系统从热力学混沌状态转变为有序的耗散结构状态，其间微小的涨落起到了关键的作用。这种在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫做突变。耗散结构的出现都是以突变方式实现的。奇怪吸引子当复杂系统处于突变过程的时候，一些运动体达到了相当大的规模，这些运动体即是奇怪吸引子。而系统内部在最后阶段的宏观运动总是围绕这些奇怪因素运动的。它们的行为非常古怪，无法琢磨。奇怪吸引子很常见，每一次朝代更迭，或大的社会变革都会出现。历史变革的进程都有一个共同的特征，即，1开始出现社会不稳定，2出现较大的力量团体，即奇怪吸引子。3这些奇怪吸引子就出现矛盾冲突。4在冲突过程中大量的吸引子被消灭，5最后在两个巨大的吸引子之间展开斗争，6有一个又被消灭，形成了新的系统结构，即，完成了一次突变过程，使进化运动又向新的一个高度前进了一步。举例1、人的生命在于运动，利用非线性相互作用。2、保持开放。3、有赏有罚带来涨落。4、企业引入竞争机制，维持非平衡态。5、持续上述过程，然后等待突变，引起升华。耗散结构的特征①存在于开放系统中，靠与外界的能量和物质交换产生负熵流，使系统熵减少形成有序结构。②保持远离平衡态。贝纳特流中液层上下达到一定温度差的条件就是确保远离平衡态。③系统内部存在着非线性相互作用并且需要不断输入能量来维持。在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大，达到有序。耗散结构符合热力学原理耗散结构论认为，耗散结构的有序化过程往往需要以环境更大的无序化为代价。因此从整体上讲，由耗散结构本身与周围环境所组成的更大范围的物质系统，仍然是不断朝无序化的方向发展，仍然服从热力第二定律。仍存在的问题首先，耗散结构理论发现了在远离平衡的区域可以“产生”新的结构体的机制，但却没有能够真正回答为什么会在远离平衡的区域“产生”新的结构体的问题。另外，是不是只有耗散结构这样一种产生结构和秩序的机制？仍存在的问题第二，耗散结构理论所说的“耗散”指的是系统与外部环境有某种能量的交换，但是对这种能量有什么样的属性却没有回答。另外，一个“自组织”结构除了能量交换以外与外界还有什么别的关系？仍存在的问题第三，回到熵的概念，耗散结构是通过不断的向系统内注入“负熵流”来维持的，那么“负熵”到底是什么，耗散结构理论并没有给出答案。有人说“负熵”就是有效能量，但这是不准确的。仍存在的问题第四，耗散结构并没有突破物质空间的局限，它的微观解释仍然是一种表象的解释，所以它只好把新的组织结构当作是无源的“自组织”了。仍存在的问题第五，是关于对开放系统的认识。这种开放是在同一个物质空间、物质层次上的开放，还是跨越不同物质层次或者空间层次之间的跨层系统开放？仍存在的问题第六，由于前面所列举的这些原因，耗散结构理论对非线性的认识也还停留在物质表层，停留在表象规律上，而缺乏对非线性机制的本质认识，因为它缺乏对非物质性力量和要素的认知。