最新第二章-耗散结构教学讲义ppt.ppt

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1、第二章-耗散结构非线性科学即对我们周围复杂性的事物进行研究的科学现实中的事物都是错综复杂的，例如，湍动的大气、奔腾的河流、起伏的山脉、大量原子结合起来的固体、生命和大脑的本质等等，我们能不能真正认识这些复杂的现象和事物呢？对复杂现象应该如何进行科学的刻划？所谓非线性科学就是一门以探索复杂性为目标的新科学。它将对人的自然观产生巨大的影响，使人类的思维方式发生根本的转变。在数学上描述复杂系统的方程通常是非线性的，一般包括分岔现象。耗散结构实质上对应于系统方程在远离平衡区的一个分岔解。熵理论对于整个科学来说是第一法则。爱因斯坦这就产生了物理理论与生物理论的

2、予盾，并引起哲学上的重大争论。耗散结构认认为，对于孤立系统来说熵是增加的，总过程是从有序到无序。而对于开放系统来说则由于通过与外界交换物质和能量，可以从外界吸取负熵来抵消自身熵的增加，使系统实现从无序到有序、从简单到复杂的演化，从而解决了“热寂说”与进化论的予盾，使物理学与生物学的这两个规律得以统一。为了研究的需要，我们把统分为孤立系、封闭系和开放系。所谓孤立系就是指那些与外界既无物质交换，又无能量交换的“孤立”系统。当然，孤立系实际上是不存在的。但是，有绝热材料包围的密封气缸中的气体可以近似地认为是孤立系。而封闭系则是与外界有能量交换，但没有物质交换的系

3、统（显然，这也是一种近似）。如果忽略了落下的流星陨石和宇宙尘埃，地球可以算是一个封闭系统的例子；地球接受太阳和其它恒星的辐射能量，而自已又向外界宇宙进行辐射。第三类是与外界能进行物质和能量交换的系统——开放系统。热力学中所研究的内燃机就是一个系统，因为它既要吸进燃料和新鲜空气，又要排出废热和废气。而吞食食物的阿米巴也是开放系统的例子。此外，细胞、生物体及人类社会中如一个工程项目，一个城市等等都是规模不同、复杂程度不等的开放系，开放系统具有普遍适用的意义。换句话说，孤立系不可能自发地形成稳定的有序结构，故不可能产生耗散结构。耗散结构理论是研究远离平衡态的

4、开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。可见任何自发的理化过程，都是从复杂向简单、从有规律向混乱，从不平衡向平衡发展r。然而自然界还存在一条规律，生物都是从简单向复杂，从低级向高级进化的。似乎生物界和无机界遵循的是不同的规律。这就是使科学家困惑不解的所谓克劳修斯热力学第二定律和达尔文生物进化论的矛盾。比利时当代物理学家和化学家普里高津（I.Prigoging）从能量的观点看，自发过程导致能量"品质"的下降。磨擦生热过程中用率较高的机械能转变为利用率较低的热能了，这又称为能量的"耗散"。他们注意到，就是在无生命界也存在一些自发的宏观有序现象。例如在晴朗的傍

5、晚，我们有时会看到空中有一条横贯东西"通衢大道"，两旁鱼鳞状的白云整齐排列，这叫"云街"；打开松花蛋外壳，琥珀色半透明的蛋白表面有雪花似的"松花"等等。所谓"有序"，包括空间上的有序--按一定规律的排列的时间上的有序--以一定周期反复出现。普里高津认为，当体系远离平衡态，处于与外界既有能量交换，又有物质交换的"开放系统"时，可以通过能量的耗散和内部的非线性动力学机制形成和维持系统在宏观上的时空有序状态。这样的结构就称为"耗散结构"。我们知道，生物体总是不断从外界吸取营养，通过各种复杂的生化过程，达到生存、发展、繁衍的目的。它具有高度的空间有序即其形态特

6、征和时间有序即生物节律（生物钟）。因此生物体正是一种耗散结构。应用耗散结构理论来研究生命的实质、起源、进化、胚胎发育、神经传递、致癌因素、生态现象等等，已取得令人瞩目的成果。现代社会高度的物质流通和信息化，它的时空有序和自组织，表明社会也是一个开放系统的耗散结构。因此，从人和自然的关系，经济、文化、军事、到城市规划、人口控制、生产服务等等，都有十分诱人的应用前景。那么“耗散结构理论”到底为我们解决了什么问题呢？我们知道：自然科学研究的对象有三个领域：一个是至小无内的基本粒子领域；一个是至大无外的天体宇宙；另一个就是我们人类生活的、介乎二者之间的物质世界

7、。在这个世界里，随时随地都在发生着十分复杂的变化：人和动物在出生、成长、衰老、死亡；植物在出苗、开花、结果、枯萎……随着时间的流逝，自然界在发生着丰富多彩却一去不复返的变化。长期以来，人类搞清了许多复杂的自然现象，但对人体本身的变化却一直迷惑不解；人体从细胞到胚胎，通过不断提取营养（大都是无序的小分子）变成了大分子有序的蛋白质，这是一个从无序到有序的过程。应用以往的定律应该如何解释？食物中杂乱无序的小分子物质是怎样构成了耳朵、鼻子、眼睛、四肢等高度对称的、结构上有序、思维有序、功能有序的人体呢？这一科学之谜终于被普里戈金揭开了。他的“耗散结构理论”指出：一

8、种远高平衡态的非平衡系统在其外参数变化到某一值时，通过系统与外界连