《大自然寻真》第25章

非生命宏观大自然辩证分析探讨-7

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25.12  耗散结构

    自然辩证法中有“耗散结构”一词，在此对其做点具体解释。从25.9知道，一个系统要具有演化能力，对内要求本身的物质是远离平衡态的，对外要求是开放的。只有远离平衡态才是高能量系统，有了能量才能运作起来去形成和维持系统的有序运行。同时，又只有开放系统，才能与环境发生能量和物质交换，从而使系统的有序运行持续不断，并且演绎出最高级的演化现象──诞生。此外还要再增加一个条件，那就是系统内必须有“流”的存在。这个“流”是指具备了转换能量和传递能量两种功能的流体、电流或热流等，有名词和动词双层涵义。所以，有序系统三要素是：远离平衡态、对外开放、内部有“流”。开放系统和封闭系统都是有序系统，孤立系统是无序的平衡态系统。

    一个成熟的龙卷风就是一个有序的开放系统（见24.7），它有了充足的能量供给之后，在自身的自组织功能作用下，通过气流不断转换和传递能量，便形成了那样一种有序而动力强劲的系统结构。当然，不仅整个大气环流都是有序的系统结构，海流也是。全球的海流包含着众多的环流小系统，它们由地下上传而来的热能转换为动能，驱动了水流做功并从海面释放了热能。还有，汽车发动机的有序运作是将作为一种势能形式储存着的物质能源（汽油等），先燃烧而转化为热能，再通过气体的流动转换为动能而做功；电动火车是电机通过电流的传递将电势能转换为动能而做功；人体这个活的有序系统结构全身充满水，水可以传递能量，也只有在水中才能转换能量。上述这些例子都充分说明了“流”在有序系统中的重要作用。

    长江滚滚向东流，也是个较特殊的系统。长江的上游水位很高，下游又对着大海开放，水流将势能转换为动能并冲击着两岸及河床做了功，形成了壮观的水流系统。不过，这种原始的水流系统所做的功，起到了令人生畏的破坏作用。类似长江这样的势能型系统，其目标环境是大海，但由于该系统对本身的远离平衡态物质没能做到很好的封闭和保护，不是只对目标环境开放，而是对周围环境胡乱开放，既冲击两岸与河床，并搬动了石头和泥沙做功，还把大量动能带出大海后对大海做功。由于长江、黄河等原始水流系统虽然也是天然形成，但并不像星体那样由内因天然主动形成，而是由外因天然被动冲刷而成，所以才无缘满足高效率系统的原则要求。人们建造大坝和发电，正是为了改造这种系统，将水流乱做功的动能利用起来。像三峡大坝那样的工程，其上游的水位还比海平面高得多（还远离平衡态），但因大坝堵住不“开放”，很长的一段河就再也看不到水流乱做功的情况了，那些水彼此之间已经暂时处于相对平衡态之中。原有的一长段水流系统，主要被改变成了在很短的封闭管道内流动，然后冲击水轮机而发电的人工有序系统。这种传统的改造被动天然系统的人工系统方法，其实并没有很好学习主动形成的高效率天然系统，虽然提高了系统效率，利用了一部分能源，却破坏了一些自然环境，有点儿顾此失彼。如何做得更好，请看“27.4 青藏高原环保引水系统起步工程参考方案”。

    上述的各个系统结构例子，之所以能成为有序的系统结构，都是因为自身有着充足的能量供给，其末端又都对着目标环境开放，而且有“流”在转换和传递能量。系统利用能量运作起来进行自组织形成了各部分的有序运作，并不停的吐故纳新以确保系统的稳定运行，不断地转换能量、做功和消耗能量，所以这种高度有序的成熟的系统结构也叫做耗散结构（见图25.12）。耗散结构的特点主要是通过做功而消耗能量才使系统有序运行，开放系统和封闭系统都消耗能量，所以都可以称为耗散结构。当然，地球也是个耗散结构，但它已经是个封闭系统，物质被封闭起来了，只是能量还在不断耗散。

图25.12：一个系统结构模型示意图

    既然地球也是耗散结构，我们要真正认识地球的现在就不能没有历史观点。要知道，正是由于能量的不断耗散，地球才变成了目前的样子。显然，地球诞生初期也是高温的全熔融状态，由于能量的不断耗散才有了半软不硬的地壳，从而诞生出了非平衡态程度不高的，退化得连自转都不会，又没有了诞生功能的月球，地球自己也因此而形成了再不能完全愈合的大伤口——太平洋。也正是由于能量的不断耗散引起了球体温度的逐渐降低，地球才有了逐渐增厚的硬地壳。硬地壳既然是整体逐渐加厚的，就会像篮球那样是整个壳层连成一体，绝无理由再切开成为6个大板块。既然球心内还有七、八千度的高温，就必然有物质反应并产生气体，因此，地震并非由于地壳板块的相互碰撞所引起，而是因为球内气体静压力使地壳爆裂而产生。知道了深海底的水所接触的是以金属为主的地壳，就知道地热的向上传递和耗散是巨量的，没有巨大能量的补给就不可能维持巨大动量的海流和大气环流的运转。整个地球系统所收入的太阳热能必定远不足以补充地球不断向太空耗散掉的能量，所以“气候变暖”只是气候本身的波动规律所引起的现象。波动既可以使气温升到平均值之上，也会使气温在一段时间后重新降到平均值以下。从地球的内因来看气候总趋势，地球还在继续降温，硬地壳也还会缓慢增厚（参见25.17）。