二、耗散理论

熵理论告诉我们这个世界是从“有序”状态逐渐转变为“无序”状态的。然而我们仍然看到了世界的生机勃勃和井然有序的一面。一片雪花不需雕琢就呈现规则的六边形，一枝蕨类植物的叶子规范地呈现三角形的特征，一只蜻蜓看上去是左右对称的，从微观到宏观世界，总呈现出结构稳定的有序状态。对于这些现象，比利时物理学家伊利亚·普里高津得出了一个结论——耗散结构。他从研究偏离平衡态热力学系统的输送过程入手，在远离平衡态的开放系统中，系统通过与外界交换能量、物质，形成有序的耗散结构，并通过不断的能量吸收来维持这种有序。

一个与外界有着物质、能量、信息交换的开放系统（不管是力学的、化学的，还是生物的和社会的）在远离平衡态的非线性区域内时，系统往往在一定的非线性条件下变得不稳定，一旦由控制参量和外场变化引起的微扰和微涨落，达到某一临界阈值时，这些扰动和涨落就会变成“大扰动”和“巨涨落”，系统将发生序度突变（非平衡相变），使其从原来的无序状态转变成一种在时间、空间或功能上不同的全新有序结构，这种在非平衡状态下形成的新的有序结构就称为耗散结构。耗散结构也可称为非平衡有序结构，耗散结构在远离平衡的条件下只能通过连续的物质和能量的流动来维持，它是在热力学不稳定性之上的一种新型组织，具有时间和空间上的相干特征。由于耗散结构理论是研究系统怎样从混沌无序的初态向稳定有序的结构组织演化的过程和规律，并且力图描述系统在变化的临界点附近相变的条件和行为，因而它构成了非平稳系统演化理论的核心内容。

一个耗散结构的形成和维持必须满足以下几个条件。

1．系统必须开放

按照系统与环境的相互作用，可把系统分为孤立系统、封闭系统和开放系统。孤立系统是不与周围环境交换能量和物质的系统，这是一种理想条件下的研究对象。封闭系统是与外界环境无物质交换，但存在能量交换的系统。开放系统是与外界环境同时存在能量交换与物质交换的系统，如一个生物体，一个城市都是典型的开放系统。事实上，热力学平衡态和近平衡态线性区域内的稳定态，实际生活中是很少见的，更为普遍的是处在变化中的远离平衡态的非线性、非平衡的开放系统。

孤立系统永远不可能自发地形成有序状态，其发展的趋势是达到平衡无序态。封闭系统在某些特殊条件下可以形成稳定的有序平稳结构，开放系统在远离平衡态并存在物质、能量和信息的交换时，有可能形成稳定有序的耗散结构。开放系统不仅是耗散结构形成的前提，同时也是耗散结构得以维持和生存的基础。要使一个系统产生和维持耗散结构特征，必须首先为系统创造充分的开放条件，使其成为远离平衡态的开放系统。

2．远离平衡态

在孤立系统中，系统自动演替的过程总是使系统从某种有序状态向无序状态发展，最终必定达到最无序的平衡态。不仅平衡态不能导致有序，即使系统处于离平衡态不远的近平衡态，虽然系统与外界有物质和能量的交换，其发展趋势最终也要回到平衡态。因而，近平衡态也不能产生新的耗散结构。耗散结构与静态的、无生机的平衡结构有着本质的区别，它是一种动态的、有活力的、远离平衡态的稳定有序结构。因此，欲使系统形成耗散结构，必须设法驱动开放系统越出平衡态或近平衡态的线性区域，达到远离平衡态的非线性区域，从这个意义上可以说“非平衡是有序之源”。

3．非线性相互作用

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，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。

4．涨落现象

涨落是指系统中某个变量和行为对平均值所发生的偏离，它使系统离开了原来的轨道或状态。涨落在系统处于不同状态时所起的作用是完全不同的，系统处于稳定状态时，涨落便是一种干扰，它引起系统运动轨道的混乱，导致了无序。这时系统具有抗干扰的能力，它迫使涨落逐渐衰减，从而使系统再次回到原来的状态或轨道；如系统处于不稳定状态，此时某些小的涨落，不仅不衰减，反而会放大成“巨涨落”，驱使该系统从不稳定状态跃迁到一个新的有序状态。

5．突变

阈值即临界值，对系统性质的变化有着根本的意义，在临界点附近控制参数微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫作突变。在突变过程中，系统从混沌状态转变为有序的耗散结构状态。因此，耗散结构的出现都是以这种临界点附近的突变方式完成的。

以上这些条件是相互紧密联系的。不向外界开放，系统无法与外界进行物质、能量、信息的交流，系统就不能远离平衡态，系统内子系统之间的任何非线性相互作用也不能使系统脱离平衡态，系统的涨落也仅能起到稳定系统，使之处在平衡态的作用，但却无法形成有序结构。没有远离平衡态，系统开放也毫无用处，系统仅能在平衡态附近，与外界交流也仅能是类似微扰的作用，不能使系统发生本质的变化。非线性相互作用是系统内部发生质变的基础。涨落对于由多个子系统组成的系统总是存在的，是系统从一个定态解变为另一个定态、系统发生质变的一个基础。没有涨落，其他条件再具备，系统也不会出现有序结构，而且没有涨落，系统的稳定状态也不能维持；对于一个稳定的系统，各子系统之间相互作用的传递也必然会出现误差，必然存在涨落；否则，对于一个复杂系统，任何一点微小的改变，不论是外界的随机扰动，还是系统内部的各种误差，都会在系统内长期存在，无法消除，使系统处于“病态”，可以说没有涨落，复杂系统也就不会存在。