耗散结构形成的条件、 特点和混沌状态
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发布时间：2022-04-22 08:49
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时间：2023-07-14 03:38
耗散结构形成的条件：①系统必须是开放的，通过与外界交换物质和能量，引入负熵流，才可能从无序走向有序；②系统必须足够地远离平衡态，才能保持对涨落的敏感性，在临界点上产生突变，从而不断组织起来，形成新的稳定有序结构，非平衡是有序之源；③系统内要有非线性的相互作用因素（描述贝纳德对流的动力学和激光光强方程，都是非线性的），才能产生相干效应和协调一致的动作，产生突变和分叉，形成宏观有序结构，非线性动力学方程，有多重解，有稳定解和不稳定解，从而使系统的演化发展可能出现几种不同的结果，产生了进化的多样性和复杂性；④系统从无序向有序的演化，是通过随机的涨落来实现的。系统内的涨落，由于非线性作用的放大，形成巨涨落，因此，普列高津说：“在耗散结构里，在不稳定之后出现的宏观有序是由增长最快的涨落决定的。因此，这种新型的有序可以叫做 ‘通过涨落的有序’”。自组织系统所必需的远离平衡状态，需要涨落才能得以维持，涨落是系统形成自组织的触发器。这4个条件紧密相连，互为支持，保持开放性是基本前提，远离平衡态是必要条件，非线性机制是内在基础，而涨落则是发展的诱因。
耗散结构一般具有以下特点：①耗散结构只能发生在开放系统；②只有当控制参数达到一定“临界值”时，它才突然出现；③它具有时空结构，对称性低于达到临界值前的状态；④耗散结构虽是旧状态下的产物，但它一旦产生，就具有相当的稳定性，不被任何微小扰动所破坏。
耗散结构系统有区别于其他一般系统的结构特征。表现在：①耗散结构系统是开放系统。开放，系统才有可能与外界作交换从而获取负熵流。②耗散结构系统中各要素、各子系统间呈现非平衡状态，系统整体上是非平衡的“活”的有序结构。一个有完全平衡、对称结构的系统，意味着它的任一部分无差别，各部分各自孤立、毫无联系，整体上呈现完全稳定的状态。这种系统内部缺乏活力状态，是一种死系统。而耗散结构系统中各要素、各子系统相互联系，相互制约，整体上看是有序的“活”结构。这种非平衡的结构，是负熵流得以合理流动的基础。③耗散结构系统中各要素、各子系统的相互作用呈现一种非线性机制。这种非线性机制使各要素、各子系统相互间有机联系、形成默契，有利于环境输入物的合理分配。④耗散结构系统中各子系统存在竞争机制，系统整体上呈现涨落的特性。由于系统内部的非平衡，各子系统彼此攀比，争夺进入系统的输入物以维持本身的有序。竞争结果使系统的某些局部占优势，某些局部处于劣势。另一时刻，系统内部的优劣势分布区域随着输入物的不同而改变，使系统总体上呈现结构的涨落性。
耗散结构理论就是研究开放系统怎样从混乱无序的状态向稳定有序的结构组织演化的过程和规律，故亦称为非平衡系统的自组织理论。所谓自组织就是在这样的系统中，系统通过自我协调、自我组织，形成一个有自我调节功能的有序系统。耗散结构对阐明远离平衡的自组织现象起了突出作用。根据20 世纪70 年代迅速发展起来的相变和临界现象理论，一个开放的耗散系统，在远离平衡态的条件下，除了可能形成时空有序的耗散结构外，随着系统多级分支的出现，当系统过分远离平衡时，还有可能形成另一种称为“混沌”的状态。混沌是一种貌似无规则的随机运动，从宏观上看似乎混乱无序，但内部层次却呈有序状态。可见，混沌的这种混乱无序与平衡态所指的微观上的分子混乱无序不同，它存在着宏观运动，而平衡态却是宏观静止的。处于远离平衡态条件下的耗散结构和混沌这两种状态都是系统在发展变化过程中控制参数缓慢变化而超过某一临界值后经过自组织突变形成的，都属于非平衡相变。这两种状态的形成和维持都需要与外界不断交换物质和能量，若一旦停止和外界交换物质和能量，状态就立即崩溃。无论是耗散结构还是混沌态一旦形成后，系统的熵产生又降低到最小值。由此可见，系统在远离平衡态区域的演变过程中，耗散结构和混沌态会交替出现。耗散结构对应于有序化过程，混沌态对应于无序化过程。
总之，耗散结构是非平衡态过程形成的有序结构，必须存在非线性效应，耗散结构与能量的耗散相关联，靠能量的耗散来维持，它只会在距热力学平衡态有一定距离的地方出现，是一种活的有序结构，它不断地向前发展，随历史的进程条件不断改变，新的结构层出不穷，且愈来愈复杂，有序化程度也愈来愈高级。因此，可以认为，它是事物发展各个阶段发生突变的真实记录。
