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耗散結構 (dissipative structure) 關於「耗散結構」的理論是物理學中非平衡統計的一 個重要新分支，是由比利時科學家伊里亞·普里戈津(I．Prigogine)於20世紀70年代提出的，由 於這一成就，普里戈津獲1977年諾貝爾化學獎。差不多是同一時間，西德物理學家赫爾曼·哈肯 (H．Haken)提出了從說明研究對象到方法都與耗散結構相似的「協同學」(Syneraetics)，哈肯於 1981年獲美國富蘭克林研究院邁克爾遜獎。現在耗散結構理論和協同學通常被並稱為自組織 理論。
簡介
當系統處於遠離熱力學平衡的狀態時，在一定外界條件下，由於系統內部非線性相互作用，可以經過突變而形成新的有序結構——耗散結構。這裡的耗散指的是系統維持這種新型結構需要從外界輸入能量或物質。 耗散結構理論是比利時科學家普里高津在研究非平衡熱力學過程中提出的。因此，他獲得了1977年的諾貝爾化學獎。 20世紀40年代發展起來的不可逆過程熱力學，研究的主要是靠近平衡態的問題。按照熱力學第二定律，自然界的過程都是向着熵增加的方向進行的，即從有序到無序。而生物進化過程中，有些生命現象正好與此相反，是向熵減少的方向進行。如單細胞到多細胞，是從無序到有序以致高度有序的。再如，西瓜生長時，土地幹得很，水不僅不會從西瓜里滲到泥土裡去，反而會從泥土裡聚集到西瓜里去; 又如海帶和紫菜能把海水裡的碘集中起來，這種現象稱為富聚現象。它是直接與平衡態的熱力學和統計物理學的規律相反。正是這種現象，促進了非平衡態熱力學的發展，而耗散結構的理論也正是在研究非平衡熱力學過程中提出的理論，從而解決了上述問題。 耗散結構的出現是系統遠離平衡的一種非線性效應，因為在離平衡態不遠的非平衡線性區域裡，不可能發生突變，使系統過渡到新的穩定態而形成耗散結構。生命物質從生物大分子、細胞、組織、器官、個體種群以致整個生物界，都是遠離平衡態的耗散結構，都是非孤立的，非平衡的，非線性系統，通過與周圍環境交換物質、能量和熵來維持和發展有序結構，即維持生活和生長，並導致進化。 耗散結構的理論目前基本上還處於客觀描述階段，但也取得了一定程度的進展。耗散結構的理論可用於流體、激光等系統，還可用於化學反應中的有序結構，生物進化，核反應過程，生態系統中的人口分布，環境保護乃至交通運輸，城市發展等問題的研究。比如，城市就是一個耗散結構。它不斷靠外界供給材料 (各種消費資料和建築材料)，並不斷把廢品排出到外界去，也就是通過與外界的物資交流，從外界取得能量和負熵 (把熵給予外界)，才得以維持和發展，一旦與外界的交流斷絕了，便趨於停滯和死亡，最後變為無序的廢墟。 [1]
發展歷程
耗散結構 (dissipative structure) 關於「耗散結構」的理論是物理學中非平衡統計的一個重要新分支，是由比利時科學家伊里亞·普里戈津(I．Prigogine)於20世紀70年代提出的，由於這一成就，普里戈津獲1977年諾貝爾化學獎。差不多是同一時間，西德物理學家赫爾曼·哈肯(H．Haken)提出了從 研究對象到方法都與耗散結構相似的「協同學」(Syneraetics)，哈肯於1981年獲美國富蘭克林研究院邁克爾遜獎。現在耗散結構理論和協同學通常被並稱為自組織 理論。我們首先從幾個例子看一下究竟什麼是耗散結構。天空中的雲通常是不規則分布的，但有 時藍天和白雲會形成藍白相間的條紋，叫做天街，這是一種雲的空間結構。容器裝有液體，上下底分別同不同溫度的熱源接觸，下底溫度較上底高，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，這就是著名的貝納德效應，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，當用適當的催化劑和指示劑作丙二酸的溴酸氧化反應時，反應介質的顏色會在紅色和藍色之間作周期性變換，這類現象一般稱為化學振盪或化學鍾，是一種時間 結構。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·，此即薩波金斯基花紋，它展示的是一種空間結構。在另外一些條件下，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，這就是所謂化學波，這是一種時間一一空間結構。諸如此類的例子很多， 它們都屬於耗散結構的範疇。為了從各不相同的耗散結構實例中找出其本質的特徵和規律，普里戈津學派研究了非平衡熱力學,繼承和發展了前人關於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，揭示出耗散結構有如下幾方面的基本特點。 [2]
特徵及應用
遠離平衡態的開放系統，通過與外界交換物質和能量，可能在一定的條件下形成一種新的穩定的有序結構。 典型的例子是貝納特流。在一扁平容器內充有一薄層液體，液層的寬度遠大於其厚度，從液層底部均勻加熱，液層頂部溫度亦均勻，底部與頂部存在溫度差。當溫度差較小時，熱量以傳導方式通過液層，液層中不會產生任何結構。但當溫度差達到某一特定值時，液層中自動出現許多六角形小格子，液體從每個格子的中心湧起、從邊緣下沉，形成規則的對流。從上往下可以看到貝納特流形成的蜂窩狀貝納特花紋圖案。這種穩定的有序結構稱為耗散結構。類似的有序結構還出現在流體力學、化學反應以及激光等非線性現象中。 耗散結構的特徵是：①存在於開放系統中，靠與外界的能量和物質交換產生負熵流，使系統熵減少形成有序結構。耗散即強調這種交換。對於孤立系統，由熱力學第二定律可知，其熵不減少，不可能從無序產生有序結構。②保持遠離平衡態。貝納特流中液層上下達到一定溫度差的條件就是確保遠離平衡態。③系統內部存在着非線性相互作用。在平衡態和近平衡態，漲落是一種破壞穩定有序的干擾，但在遠離平衡態條件下，非線性作用使漲落放大，達到有序。 比利時的普里高津、德國的哈肯、日本的久保-鈴木等學派對遠離平衡態的耗散結構理論的建立與發展作出重要貢獻。但理論尚屬初級階段，有待於發掘新的概念、規律和數學工具。耗散結構理論已用於研究流體、激光等系統、核反應過程，生態系統中的人口分布，環境保護問題，乃至交通運輸、城市發展等課題。