第22章 耗散结构理论(2)
以贝纳德流体实验为例，当液体上下温差ΔT＝0的时候，对应坐标中的λ0此时系统处于热力学平衡状态，随着ΔT的逐渐增大，系统逐渐远离平衡态，当λ大于等于λc时，系统发生突变进入有序状态而形成贝纳德花纹（即耗散结构）。
需要进一步指出的是，当控制参数λ进一步增大时，各稳定的分支又会变得不稳定，从而出现二级分叉或更高级分叉，称之为多级分叉，由于每一次分叉都会赋予系统一定的性质和功能，最后系统就有了较复杂的性质和功能（如人们熟悉的生物进化树）。对于一个较大的系统，由于存在多种可能的耗散结构，系统究竟处于哪一种耗散结构完全无法预知，这就是我们说的混沌现象。例如在贝纳德实验中，当ΔT很大而且继续加大时，就会出现多种花纹的更替，最终走向混沌和湍流。
由此，我们也可以归纳出“耗散结构”的几个特点：
（1）耗散结构发生在“开发系统”中，它必须靠外界提供的能量或物质才能维持。这与平衡态结构是完全不同的。
（2）只有当控制参数（如温度梯度）达到一定“阈值”时，它才出现。
（3）它具有时空结构，有序程度高于达到阈值前的状态。
（4）耗散结构虽是旧状态不稳定的产物，但它一旦产生，就具有相当的稳定性，不被任何小扰动所破坏，这称为涨落回归原理。
（5）对称性的破缺。系统处于在分叉点以前，系统是平衡态或近平衡态的，在时间、空间上比较均匀对称，在分叉点以后，系统处于耗散结构的有序状态，破坏了原来的对称性，这称为对称性的破缺。
22.让理论回归实践——耗散结构理论的应用
耗散结构理论把我们带到了一个无限广阔的思维空间，不仅揭开了关于我们自己的身体、社会和宇宙演化的序幕，而且耗散结构理论建立几十年来，在物理、化学、农学、医学、地质学、气象学、宇宙学、脑科学、社会学、经济学以及工程技术领域中也得到广泛应用。
22.1对一些典型现象的解释
耗散结构理论的诞生，可以使人们从一个全新的角度对自然界和科学实验中出现的从无序到有序的现象作出很好的解释，从而具有了普遍方法论的意义，下面举几个典型的例子：
1）对激光现象的解释
激光是20世纪60年代发展起来的一门新的光学技术。激光具有高功率、相干性好和单色性好等多种优点，被广泛用于通信、打孔、测距等各个行业，并在科学研究中作为一种极好的光源。激光的产生需要一个激光器，如固体激光器。
它由内部掺有激活物质的棒状材料构成，激活物质（即产生激光的物质）的原子可被外界的光辐射所激发，当我们从外部把能量泵浦输入激光器时，便会出现如下情况：当泵浦功率较低时，激活原子彼此独立地（无规则地）发出不相干的光波列，激光器就像一只普通的灯泡所发出的光，相位和频率都是杂乱无章的。当泵浦功率达到阈值时，就出现了全新的现象，激光器便发出周期性的脉冲，使得原子都同相振荡，发出相位、频率和方向都整齐划一的单色波，发射的光强随着输入功率的增加而急剧增加，其激光过程经历则呈现简单的规则形状。
激光的上述特点可依照耗散结构理论进行分析。自然光中光子杂乱无章分布，它们的频率不同、偏振方向不同，在激光中可以认为是光子的有序分布，激光由频率相同、位相相同、偏振方向相同的光子组成。
系统从发自然光转变为激光与贝纳德流体从均匀分布转变为出现贝纳德花纹一样，都反映系统从无序向有序的转变。光泵激发电子从低能级跃迁到高能级，实际上是不断供给系统能量，使之逐渐远离平衡态。
光泵供给系统能量既是使之产生激光的条件，又是维持系统不断地发射激光的条件。在系统从自然光转变为激光的过程中只有使系统达到阈值才能使激光出现，而且激光的出现也是突然发生的。把激光看成光子系统从无序到有序的转变，用耗散结构理论分析激光系统，可以使我们更深入地理解这一复杂的物理过程。
2）对BZ化学反应的解释
前面提到的前苏联化学家Belousov在金属铈离子做催化剂的情况下柠檬酸的溴酸氧化反应，也就是历史上著名的BZ化学反应。为什么该反应会像钟摆一样发生规则的时间振荡，出现有周期的时间有序结构呢？其实我们完全可以抛开这类反应的具体情况，只要用耗散结构理论加以分析便可得到结论。在反应中只有不断地添加反应物，不断地取走生成物，反应才能持续进行。添加反应物，取走生成物，使各种物质在系统中保持一定的比例，与对系统加热（贝纳德流体）一样，都表现为外界环境对系统的作用。当反应物浓度较小时，系统远离平衡态，化学反应呈均匀状态，当浓度达到确定的阈值，化学反应系统会突然呈现出有序状态，维持有序状态依赖于外界不断输入物质使系统处在确定的反应物浓度状态上。在搅拌均匀的反应中我们可以观测到生成物浓度随时间周期性变化，加入显示剂可以看到颜色由红变蓝，再由蓝变红。
22.2耗散结构理论的具体应用
1）耗散结构理论在生命科学中的应用
耗散结构理论最有希望的应用对象是生物体系。事实上，力求解释生物有序现象正是导致建立耗散结构理论的主要原动力。生物体总是处于非平衡的开放条件下，对于生物体来说，平衡就意味着死亡。绝大部分生命过程涉及到各种生物催化剂——酶的催化作用，它们提供了各种非线性反馈。因此在生物体系中，形成耗散结构的主要条件是具备的。生物体不仅可以具有高度规则、高度复杂的结构形态和功能，而且在各种不同水平上（从分子细胞、组织直到生物个体）都呈现出时间的振荡行为。现在理论生物学已经可以用耗散结构的原理（化学钟）来解释这些生物振荡现象。因此在生物体系本身可能就是一种高级的耗散结构。例如，通过对葡萄糖反应的沿线研究，提出了葡萄糖的数学模型，通过非线性微分方程的推导，证明了葡萄糖是一种时间耗散结构，以此得到了活细胞能量反应的主要结果。此外，还可以用非线性微分方程的报道来计算同时含有兴奋细胞和抑制细胞的局部脑细胞的动力学和耦合作用，从而证明这种体系能表现出节律性的性能，其基本频率取决于所用的兴奋剂。目前，已有不少人开始用耗散结构理论来探索和解释各种生命过程，诸如生命起源、生物进化、生物形态、胚胎发育、神经信息的传递、组织生长以及癌症的发生和防治等等。我国医学工作者已尝试根据耗散结构理论，以多种治疗手段来抑制或消退动脉粥样硬化。还根据这个理论研究了其他许多疾病与药物的作用。今天已有越来越多的生态学工作者试图用耗散结构理论来解释各种生态现象。比如，六角形蜂窝的奥妙、白蚁的活动特性等。最为成功的例子就是用非线性微分方程数学解的形式相当准确地描述了不同物种的生物之间的竞争与共存现象。
现在一些医学理论也认为，病人服用或注射某些药物，重要的不是起补偿作用，而是造成一种涨落。例如人体中有不少ATP（三磷酸腺苷），但是冠心病人每次只要注射20mgATP（三磷酸腺苷）就有明显疗效。它的作用机制就是引起某种涨落，通过涨落使病人向健康人转化，从而建立一种新的有序状态。
2）在材料制备中的应用
制取性能优异的材料从外部施加力，或注入少量的热、电磁、光等能量物质，当这种控制条件达到一定程度时，即控制参量A超过阈值Ac时，体系将引发一系列微观过程，体系因这些微小涨落而离开不稳定状态，发生自组织过程而进入宏观有序的结构，即耗散结构，从而引起材料性能的很多奇异变化。如对某些钢材进行快速淬火，可以产生马氏体相变而大大提高其硬度；同理，还有非晶、纳米晶制备中的快速冷却、机械合金化中的超声处理强制反应、激光气相合成和微波催化过程中的诱导反应等。
改善材料的疲劳寿命，生命体的疲劳与休息、损伤与愈合都是其自我调节的特征，也正是耗散结构自组织现象的表现，材料学家将此应用于工程材料。当材料达到一定的疲劳程度时，内部将产生一定数量的微观缺陷而使其微观结构处于紊乱的非稳状态，当其中的微观缺陷还没有聚集到产生裂纹时就输入适当能量，给予即时处理，可使其恢复到较完整的稳定状态。如对状试样的激光加热，对块状金属材料的大流脉冲等，可以调整其微观结构，以实现材料疲劳性能的改善。
凝聚态物理是耗散结构理论的另一个应用领域。在各种固体中，可以看到许多擦亮的花纹，例如树枝状的结晶，它们的形成机制是冶金工作者十分关心的问题。在一些超导薄膜和液晶中，人们同样观察到了各种条状结构的形成。耗散结构理论为阐明它们的形成提供了一条可能的途径，说不定会由此导致一次新的材料革命。
3）在生态系统的应用
生态系统作为开放体系，通过吸收太阳能作为负熵流而存在和发展。在整个生态系统中又可根据不同的对象划分出多种不同属性的子系统，如人类社会生态系统、自然生态系统、农业生态系统、工业生态系统、城市生态系统等。耗散结构理论可用来解释和解决生态系统中的诸多现象和问题。这里我们仅以人类社会生态系统和自然生态系统为例。若以自然生态系统为开放体系，设人类社会生态系统（外界环境）对自然生态系统输入的熵流为desI，若以人类社会生态系统为开放体系，设自然生态系统（外界环境）对人类社会生态系统输入的熵流为desII。若desIdesII小于0，对人和自然都是最完美的，就可建立稳定的、可持续发展的生态平衡，实现人与自然的和谐、共融。但事实上，现实中的情况并非如此，他们之间的相互作用被人为地变得更加复杂：虽然气候的异常变化、泥石流、地震、台风等自然灾害的发生对人类社会造成了一定程度的伤害，使这部分熵流为正，但总的说来，自然生态系统对人类社会生态系统输入的熵流desII小于0，因为自然生态系统就像是人类的能量物资储备库，支撑着人类一切的生产消费。相反，化石燃料的使用产生了温室效应、酸雨，开垦过度导致土地的荒漠化、沙漠化，生物资源的过度使用引起物种快速消失，工业污染，滥施农药等，都是人类输入自然的正熵流，即desI＞0，这是生态系统实现有序的最大威胁。如果任其发展，不加以控制，会加速自然生态系统的熵增，而更快速地趋于“死亡”，当死亡的系统再不能向人类社会生态系统提供负熵、甚至提供大于零的desI时，人类社会生态系统最终也只能趋于“死亡”。从以上分析不难看出，现实中desII小于0而desI＞0，那么自然生态系统还能承受多久？正熵流的输入desII小于0还能持续多久？
人类加强对自然生态系统的保护，以恢复当初完美的desIdesII小于0的状态刻不容缓。
4）在经济领域的应用
在经济领域，耗散结构理论的应用已渗透到价格、贸易、税务、银行等有关问题的研究中。我国加入世贸组织（WTO），使我国经济体制从闭关自守的计划经济变革为有生机活力的市场经济，实现新的“飞跃”，从非平衡观点来看，是耗散结构理论的体现。首先，WTO提供了一个国际市场竞争的统一、规范的制度框架体系和国际通行规则。加入WTO，就要将WTO的规则作为中国经济体制改革和进一步扩大开放的重要参照，这无疑就是耗散结构理论中外界对开放体系输入的负熵流。而当许多外国跨国公司进入中国市场，必将打破国内垄断性行业的垄断状况。竞争的激烈程度迫使中国企业要有竞争意识，注意新产品的研究开发，加大技术投入，努力提高员工素质和管理水平。竞争的压力也会促使中国企业加快经济结构和产品结构的调整，加速企业的改组、改制、改革进程，改变那种具有浓重的“中国特色”的垄断性行业的市场规则、行业保护价政策以及形形色色的地方保护主义，形成更合理、更有序、更具生机活力的适应世界经济的体制。从非平衡观点来看，这一变革就是中国加入WTO后通过自组织过程形成有序的耗散结构的结果。
我国的经济学工作者们还利用耗散结构理论及协同理论首创了平衡系统经济学。其主要部分就是耗散结构经济论。根据这个学说，他们分析了国家或地区的经济系统，认为有效的经济系统应是一个开放的系统。即要求系统内外不断进行大量的物资、情报和人员的交换，不断改变输入、输出和转换过程。系统内外，人、财、物、信息畅流，不停地进行新陈代谢，具有很大的协同力和促进力，形成一个“活”的有生命力的、越来越高级、越来越兴旺发达的耗散结构经济系统。根据耗散结构的特点，可以推出耗散结构的经济系统具有很强的抗干扰能力，一般的经济波动会被结构本身所吸收，使波动衰减到零。外部的和内部的、政治的和经济的突变造成的巨大波动冲击，会冲破耗散结构的回归力限制作用，使原结构崩溃，但它不会消亡，在另一种条件下又会形成一种新的稳定有序的耗散结构。就像演化分支图一样，随着时间的不可逆，不断演化，形成越来越繁荣的耗散结构经济系统。另外，由于通过涨落实现有序化是开放系统的一个重要特点，而经济波动现象就是涨落现象，所以，对经济波动现象的研究，对于调整、控制国民经济的稳定增长和预测未来经济的发展都具有重要意义。在非平衡区，经济体系通过涨落实现有序化体系这一重要观点，为稳定国民经济提供了科学的、辩证的、乐观主义的指导思想。