耗散結(jié)構(gòu)課件

*耗散結(jié)構(gòu)簡介

*

已成為研究自然現(xiàn)象和社會問題的有力武器。*耗散結(jié)構(gòu)

(Dissipativestructure)

耗散結(jié)構(gòu)理論是普利高津（I.Prigoging）于1967年創(chuàng)立，他1977年獲諾貝爾化學(xué)獎。該理論中的許多概念，如開放系統(tǒng)﹑負熵流﹑突變等，一.退化與進化熱力學(xué)：孤立系──

能量退化

（熱寂論）生物學(xué)：開放系──物種進化有序無序退化（克勞修斯）進化（達爾文）時間箭頭*二.自組織現(xiàn)象和耗散結(jié)構(gòu)自組織現(xiàn)象：自發(fā)地由無序變?yōu)橛行虻默F(xiàn)象。在一定外界條件下，系統(tǒng)內(nèi)部這種演化過程叫自組織過程。1.自組織現(xiàn)象中的空間有序結(jié)構(gòu)▲無生命界：

六角形的雪花；

魚鱗狀的云；*

貝納德（Benard）對流液體靜止，熱傳導(dǎo)

液體對流傳熱T1=T2T2大導(dǎo)熱板距離很小

平衡態(tài)穩(wěn)定的非平衡態(tài)QT2T1>T2，

△T<△TC液體靜止

T1>T2

，T2△T>△TC出現(xiàn)宏觀有序使能量得到更有效的傳遞。蜂窩模式千千萬萬的分子被組織起來，參加一定方式的宏觀定向運動，對稱對稱對稱破缺*

蛋白質(zhì)大分子鏈由幾十種類型的成千萬個氨基酸分子按一定的規(guī)律排列而成?！锝?/p>

大腦是150億個神經(jīng)細胞有規(guī)律排列組成的極精密極有序的系統(tǒng)。而地球年齡才幾十億年！而且每一種排列有相等的概率,一次特定的排列。這種有組織的排列決不是隨機形成的。假定這種排列是隨機形成的,也要經(jīng)過10109億年才能出現(xiàn)進行100次排列,那么即使每秒*

樹葉有規(guī)則的形狀；

動物毛皮的花紋；龜背的圖案2.自組織現(xiàn)象中的時間有序結(jié)構(gòu)▲無生命界：

B-Z反應(yīng)

蘇，1958

貝魯索夫（Belousov）

扎玻庭斯基（Zhabotinski）溴酸氧化反應(yīng)：檸檬酸+丙二酸，鈰(Ce)離子催化。*反應(yīng)物濃度說明離子濃度出現(xiàn)了時間有序結(jié)構(gòu)?！锝?/p>

中華鱘回游，侯鳥遷移，…有生命界和無生命界都有共同規(guī)律可循。*要將它們用物理學(xué)規(guī)律統(tǒng)一起來，必須抓住孤立系統(tǒng)與開放系統(tǒng)的區(qū)別。自組織現(xiàn)象是與熱力學(xué)第二定律的有序無序的時間箭頭不一致的！三.開放系統(tǒng)的熱力學(xué)第二律孤立系統(tǒng)進行自發(fā)過程S

。

這種由于系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)歷的不可逆過程而引起的熵變稱為熵產(chǎn)生，用di

S表示。

由熵增加原理：*要實現(xiàn)自組織，系統(tǒng)必須開放。除di

S外還有與外界能量或物質(zhì)交換引起的熵變，對開放系統(tǒng)，除稱為熵流，用deS表示。開放系統(tǒng)總熵變──負熵流──正熵流若負熵流足夠強，以至?xí)r，有∴

開放系統(tǒng)可能因負熵流足夠強而實現(xiàn)自組織。*

例如貝納德實驗中，流體系統(tǒng)是個開放系統(tǒng)，因為即流出的熵大于流進的熵。系統(tǒng)的熵就減少，系統(tǒng)就從無序

有序。

人體是一個開放系統(tǒng)，吃飯就是為了產(chǎn)生“負熵流”。若流進流出的熱量記作dQ，流進的熵流出的熵所以則若凈流出的熵超過了系統(tǒng)內(nèi)部的“熵產(chǎn)生”，隨著熱量的流進流出，系統(tǒng)的熵在變化。*若為正熵流，則系統(tǒng)不會實現(xiàn)自組織?？紤]到總有dSi

>0，∴即系統(tǒng)經(jīng)歷任何一個過程后，其熵變永遠不會小于熵流──熱力學(xué)第二定律的普遍形式。四.遠離平衡態(tài)的分叉現(xiàn)象主要研究平衡態(tài)的性質(zhì)。1.平衡態(tài)熱力學(xué)（經(jīng)典熱力學(xué)）例如,貝納德實驗中

T=0的情形。*

例如,貝納德實驗中，

T0但較小的情形。2.線性非平衡態(tài)熱力學(xué)(近平衡態(tài)熱力學(xué)）偏離平衡態(tài)很小的系統(tǒng)稱為近平衡系統(tǒng)。近平衡系統(tǒng)二者呈簡單的線性關(guān)系（宏觀性質(zhì)不隨時間改變）非平衡的定態(tài)普里高津指出：近平衡系統(tǒng)取最小值

──最小熵產(chǎn)生原理這說明近平衡態(tài)是穩(wěn)定的。*而不可能出現(xiàn)自組織現(xiàn)象。3.非線性非平衡態(tài)熱力學(xué)（遠離平衡態(tài)熱力學(xué)）已不是簡單的線性關(guān)系，例如，貝納德實驗中時的情形。這時,就有可能出現(xiàn)自組織現(xiàn)象。下面用圖線來表示以上的三種情況：對于近平衡系統(tǒng)，只要外界作用不變，即使系統(tǒng)內(nèi)有漲落，仍會回到原非平衡定態(tài)，外界的影響強烈，它引起系統(tǒng)狀態(tài)的變化有它自己特有的規(guī)律。*Xλ控制參量表征定態(tài)的某個參量分叉現(xiàn)象遠離平衡的非線性區(qū)

不穩(wěn)定的熱力學(xué)分支(b)(C)

穩(wěn)定的耗散結(jié)構(gòu)分支

穩(wěn)定的耗散結(jié)構(gòu)分支(C

)（對應(yīng)某種時空有序狀態(tài)）（穩(wěn)定的非平衡態(tài)）偏離平衡的線性區(qū)CλC(a)

穩(wěn)定的熱力學(xué)分支平衡態(tài)λ0X0

*

非平衡的不穩(wěn)定態(tài)在一個細小的擾動下，就可以引起系統(tǒng)狀態(tài)的突變，狀態(tài)離開（b）線沿著另外兩個穩(wěn)定的分叉（c）,或（c’）發(fā)展，這稱為分叉現(xiàn)象。五.漲落導(dǎo)致有序

分叉現(xiàn)象表明，在臨界點附近的微小變化（漲落）可以從根本上改變系統(tǒng)的性質(zhì)，這叫突變現(xiàn)象。自組織總是通過某種突變過程來實現(xiàn)。

c

的存在是伴隨耗散結(jié)構(gòu)現(xiàn)象的特征。系統(tǒng)處在不同狀態(tài)，漲落的作用可以很不同：*(耗散結(jié)構(gòu))C點附近漲落微觀客體協(xié)同動作非線性因素宏觀有序狀態(tài)

不是任何漲落都能得到放大，

耗散結(jié)構(gòu)形成的條件：只有適應(yīng)系統(tǒng)動(c)漲落(a)開放系統(tǒng)(d)正反饋(b)遠離平衡態(tài)(e)非線性抑制因素素力學(xué)性質(zhì)的那些漲落才能得到系統(tǒng)中絕大多數(shù)微觀客體的響應(yīng)，從而波及整個系統(tǒng)，推向新的有序結(jié)構(gòu)──耗散結(jié)構(gòu)。將系統(tǒng)*

例如，假設(shè)某時刻在某個平衡態(tài)有如圖所示的漲落（漲落總是存在的）：為簡單起見，假設(shè)右圖是一個復(fù)雜的波形。

可以認為它是由許多不同頻率的正弦波按一定比例疊加而成。每一正弦分量稱為一種漲落分量。(傅立葉分析)*漲落可以使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生突變。到了宏觀尺度,就使系統(tǒng)進入某種有序狀態(tài)?？焖p掉,有的漲落分量卻得到放大。當放大重要的不是起補償作用，人轉(zhuǎn)化，與平衡態(tài)或近平衡態(tài)不同,在遠離平衡態(tài)的區(qū)域，隨著外界控制條件的變化,有的漲落分量很某種醫(yī)學(xué)理論認為病人服用或注射某些藥物，而是造成一種漲落。例如，人體中有不少ATP（三磷酸腺苷），但是冠心病人每次只要注射20mgATP就有明顯療效。它是通過引起某種漲落使病人向健康從而建立一種新的有序狀態(tài)。*六.高級分支和混沌狀態(tài)

混沌狀態(tài)Xλ∞λa1b1b2c1c2d1d2通過倍周期分叉走向混沌。*最終走向湍流(混沌)。

高級分支現(xiàn)象說明在遠離平衡態(tài)時系統(tǒng)可以有多種可能的有序結(jié)構(gòu)。分支中產(chǎn)生的自組織本領(lǐng)，高級分支會積累起各次變得豐富和完備起來，現(xiàn)出復(fù)雜的時空行為，生命的進化和整個世界的發(fā)展也可以用高級分支行為來說明。

當系統(tǒng)偏離平衡態(tài)足夠遠時，系統(tǒng)可能具有的耗散結(jié)構(gòu)也非常多。從而使系統(tǒng)的功能，如貝納德實驗中，當

T很大，且繼續(xù)加大時，會出現(xiàn)多種花紋的更替，*瞬時狀態(tài)的不確定性很大，這種無序態(tài)不同于熱力學(xué)中平衡的無序狀態(tài)。無序的時空尺度是宏觀量級的，

耗散結(jié)構(gòu)理論在近年來有了很大的發(fā)展,

美國有人研究東西部由于漲落是無法控制和偶然的，所以此時系統(tǒng)進入了一種無序態(tài)。人口的空間分布規(guī)律；在實踐中已經(jīng)運用?；煦纾╟haos）狀態(tài)。這種狀態(tài)