自然与人-30.24   耗散结构及有序系统三要素

李开乐

    摘要：有序系统三要素是：远离平衡态、对外开放、内部有“流”。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。

    “耗散结构”是什么？从“自然与人-30.15”知道：“想要一个系统具有完全的演化能力，对内要求本身的物质是远离平衡态的，对外则要求是开放的”。显然，只有远离平衡态才是高能量系统，有能量运作起来才能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。
    所谓“有序运行”，首先要求是系统内的物质形成了有规律的流动。显然，系统内必须有流体才可能发生流动，因此，一个系统要成为有序系统，除了上述的对内和对外两个条件之外，系统内部还必须有另一个显著的特征——“流”。“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，孤立系统是平衡态的无序系统。
    一个成熟的龙卷风就是一个有序的开放系统，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，是将那些作为势能的一种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。一块石头的内部就没有“流”,所以它只能称为“静态物质集合”。上述的各种系统结构例子，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30.24）。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30.24：一个系统结构模型示意图