为什么耗散系统远离平衡态

4．耗散结构理论

在20世纪60年代末，比利时著名科学家普利高津等人通过长期研究复杂系统的演化过程，提出耗散结构理论，回答了物理世界和生命世界演化过程中的一些重要问题。

4.1耗散结构理论的产生及其基本概念

在近代科学技术的发展过程中，所建立的经典力学、热力学和统计物理学，主要研究的是孤立系统，在这类系统中根据热力学第二定律得到的是熵增加原理。20世纪的科学技术需要从微观上解释时间的不可逆性，同时还要解释非生命系统与生命系统演化方向的问题，这就使耗散结构的诞生具有必然性。

（1）时间的微观运动可逆与宏观运动不可逆

17世纪中叶，牛顿创立的经典力学成功地描述了天体和地球上的一切动力学问题。可是在牛顿的物理世界中，时间却是一个没有物理意义的参数。不仅牛顿方程如此，在量子力学、相对论力学等各种领域，时间本质上都只是描述可逆运动的一个几何参量。传统的动力学，给出的是一个可逆的、对称的物理图像。

19世纪中叶，由于蒸汽机的广泛应用，热力学得到了发展。热力学第一定律即能量守恒和转化定律，指明了各种运动形式的可转化性和运动在量上的不灭性。但是，它并没有指出转化过程的方向性及转化过程进行的限度。热力学第二定律指明了热量只能从高温物体流向低温物体，而不会出现相反方向的热量传导。大量日常生活中的热力学现象也是如此，如温度不均勺或密度不均匀的物质现象，随着时间的推移，最后—定达到均匀的分布，而一旦达到均匀分布的状态就再也不会返回到不均匀分布状态了。热力学与统计物理学中的时间不可逆，向动力学的时间可逆提出了严重的挑战，如何解决微观运动可逆与宏观运动不可逆的问题，成了复杂系统物理学所面临的基本问题之一。

（2）退化与进化

热力学第二定律指出，任何一个孤立的系统都要朝均匀、简单、消除差别的方向发展，这实际上是一种趋向低级运动形式的退化。克劳修斯的“热寂说”认为，宇宙中的万事万物最终都要发展到一种均匀的状态，即世界各处温度均匀、压强均匀，各种物理差别都不存在了，宇宙将进入一个死亡、寂寞的状态。而一旦达到了这个状态，这个世界就再也不会“活”过来了。

英国生物学家达尔文的进化论告诉我们，自然界中的一切生物，在生存斗争和自然选择中不断进化和发展。为了适应周围的环境，它们的构造越来越复杂。整个生物界正是在与环境的斗争中，不断由低级向高级、由简单向复杂进化。由此可见，生物界的演化并不像克劳修斯所说的，沿着混乱、灭亡的方向发展。事实正如达尔文所揭示的那样，生物越向高一级进化，其体内构造就越复杂，越有序。人类正是生物进化的产物。随着人类的出现，又出现了有组织的人类社会，人类社会正在由低级向高级不断进化。

牛顿力学的可逆性与热力学的不可逆性，物理系统的退化与生命系统的进化，给人们提供了两种物理图像、两个世界。一个是物理的、量的世界；一个是生物的、质的世界。难道在物理学和生物学中真的存在着一个巨大的鸿沟吗?怎样把二者统一起来并给予科学的说明，这些问题引起了当代许多科学家的关注。普利高津从热力学第二定律出发，冲破传统的观念，把注意力从平衡态转移到近平衡态和远离平衡态，提出一个新的思考：为什么热力学第二定律在无机界只有耗损、退化和热寂?又怎么解释恰恰在无机界的发展中产生了有机生命和智慧之果呢?他把时间与不可逆性、熵等联系起来，深入研究自然界的自组织现象，终于在物理学、化学的微观与宏观层次上发现了自组织结构——耗散结构，创立了超出物理学、化学范围的耗散结构理论。

（3）系统的性质

耗散结构理论按照系统与外界的相互关系，指出有三种性质不同的系统：

①孤立系统。指与外界环境不发生能量变换的系统。这种系统完全按照热力学第二定律进行演化，最终将达到完全无序的平衡态。严格说来，任何系统都要受到外界的影响，在现实世界中，真正的孤立系统是不存在的。孤立系统只是物理学上的理想状态

②封闭系统。是指与外界环境有能量交换但没有物质交换的系统。比如地球就是一个封闭系统，它不断与太阳和恒星交换能量，但不交换物质。

③开放系统。是指与外界环境既发生物质交换，又发生能量交换的系统。例如生命体、城市等都属于开放系统。开放系统的最重要特征，就是它与环境发生密切的相互作用，从而获得维持生命的活力。

（4）系统的状态

热力学系统所处的状态有两种：

①平衡态。是指系统所处的状态是一种不变的固定的状态，系统的热力学参量（温度、密度、压强等）不再随时间变化；同时系统内也不存在物理量的宏观流动，如热流、粒子流等。可以推断，独立系统的最终结局必定是平衡态。

②非平衡态。是指系统内部热力学参量不均匀，与平衡态有偏离的系统。把那些与平衡态偏离较小到非平衡态，称为近平衡态或线性平衡态；把那些与平衡态偏离比较大的，其系统内各部分的热力学参量极不均匀，相互作用呈非线性的系统，称为远离平衡态或者称为非线性平衡态。

（5）熵与熵增大原理

熵的概念，是德国物理学家克劳修斯提出来的。它的原意是热量被温度除的商即：S＝Q／T。由公式可知，相同热时温度高则熵小；温度低则熵大。熵的本质内涵是发展演化，即热量转变为功的程度。在热力学系统中，熵是状态混乱度的函数，越是熵小的体系，其有序度越高；反之，则混乱度就高。热力学第二定律指出的孤立系统中，热能只能从高温物体流向低温物体，用熵的概念可表示为：一个孤立系统自发地朝着熵增加的方向演化，一直达到平衡态，熵达到最大值。因此，热力学第二定律又叫做熵增大原理。用数学表达热力学第二定律为以下不等式：ds﹥0，它表示孤立系统熵增大过程是不可逆的。熵增大原理揭示了宇宙中一切物质与能量转化的趋向，总是自发地从能量集中转向能量分散，从有序趋向无序的退化。熵定律从本质上揭示了生命和进化的基础，因为生命、进化、局部的有序结构形成，都是以更大范围的无序为代价。生物的生到死，事物由生到灭的过程，都是熵增加的过程。

4.2耗散结构理论的内容

（1）耗散结构含义

普利高津一直保留着对历史科学的兴趣和哲学爱好，所以能够跳出物理学传统观念的框框，最先发现时间不可逆的意义。他认为，时间不应仅仅简单作为力学方程中说明运动的一个参量。它联系着历史、联系着演化和世界的发展。这种观念激发了他对不可逆过程的浓厚兴趣，并成为他的不可逆理论的思想基础。

普利高津从熵增大原理出发，他认为任何系统的总熵变化量都要由两部分组成：

ds＝des+dis

在这里，第一项des是系统与外界交换物质和能量引起的熵流，第二项dis是系统内部自发产生的熵。因此，任何一个系统的dis始终大于零（dis＞0），而des则因不同的系统有不同的情况。

在孤立系统中，因为系统与外界环境不发生物质和能量的交换，故没有熵流即des＝0，所以系统总熵变化ds＝dis＞0。系统的总熵是增加的，无序度增大，系统绝对不会产生新的有序的组织结构。

在开放系统中，虽然熵流des≠0，但是系统并不一定是向有序性增加的方向发展。要根据所处的热力学状态作具体分析，将存在着以下三种情况：

第一种情况是热力学平衡态。在这种系统中，虽然des≠0但是des＞0，所以物质流和能量的进入便大大增加了系统的总熵，加速了系统趋向平衡态的运动。

第二种情况是近平衡态。因为这种热力学状态与平衡态只有一点点微小的差别，des≈0。这种系统即使开始存在时有一些有序结构，但是最终都抵抗不了系统内部自发，产生的熵dis＞0的破坏，于是最终还是趋向平衡态。这种情况也不可能出现任何新的结构和组织。

第三种情况是远离平衡态。在这种系统中熵流大大小于零（des＜0），系统不断地从环境中获取物质和能量，这些物质和能量给系统带来负熵流，结果使整个系统的有序性的增加远远大于无序性的增加，于是新的结构、新的组织就能自发地形成，这种自组织，被普利高律命名为耗散结构。

耗散结构是一种“活”的结构，它是靠不断“耗散”环境提供的物质和能量来维持它的生命活力。耗散结构论就是一门研究耗散结构的性质、形成、稳定和演变规律的科学，是关于非平衡系统的自组织理论。在现实生活中，我们到处都可以发现这类结构，如生命体，无论其结构的复杂程度多么不同，它都是在不断地新陈代谢中保持其结构的稳定性、同样，一座城市也是一个耗散结构，城市每天都要输入食品、燃料和其他物质，同时还要输出产品和废物，只有这样，它才能生存下去，保持一定的稳定的有序结构，否则它就会趋于平衡态直至死亡；

（2）耗散结构的形成条件（理论内容）

普利高津发现，耗散结构的形成，必须具备四个基本条件：

①必须是开放系统。

一个孤立系统内部只有熵增加的一种趋势，最终会导致有序结构的破坏，走向高度无序的热死状态。只有开放系统，通过与外界交换物质和能量，从外界输入负熵流来抵消系统本身的熵增大，使系统的总熵逐渐减小，才有可能从无序走向有序。因此，耗散结构只能在开放的条件下“生存”。

②系统必须远离平衡态。

开放系统处于平衡态或近平衡态时，系统都不会产生任何新的结构和组织，只有系统处于远离平衡态时才能产生新的有序组织结构。因为处于远离平衡态的开放系统与外界因素发生较大的相互作用，其内部的不均匀逐渐变大，于是系统就变得不稳定。在系统内部涨落（是指系统自发产生的相对于出现平均状态的小偏差）的作用下，不稳定的系统发生突变，由原来的无序、混乱状态转变到一种时空或功能有序的新状态。所以普利高津得出“非平衡是有序之源”的结论。

③系统内部必须存在非线性相互作用。

系统内部各要素的相互作用一般可分为两种情况，一种是线性相互作用；另一种是非线性相互作用。线性相互作用的特点是具有叠加性，即总的相互作用是每个小的相互作用之和，它们在性质上、行为上完全相同。因此，线性相互作用无论有多大积累。也不会产生新的性质，当然也就不可能产生新的结构。非线性相互作用与之不同，其最大的特点是具有相干性。即对象之间存在的相互作用不是简单地从数量上叠加，而是相互制约、相互耦合形成一种在整体上完全不同于各部分的崭新整体效应。正是这种非线性相干作用，系统才能产生新的结构。

④涨落导致有序。

在系统的演化过程中，涨落起着十分重要的作用：系统处于近平衡态时，涨落起着种破坏稳定性的干扰作用。它只会使系统状态发生暂时的偏离，而这种偏离状态会不断衰减，直至消失，最后达到稳定态。比如一个钟摆，小小的干扰使它摆动，可是运动到最后总会停在中间的稳定位置。在远离平衡态时，系统处于一种动态的热力学系统中，系统中一个微观随机的小扰动就会通过相干作用得到放大，成为一个整体的、宏观的“巨涨落”，推动系统从一个不稳定态跃迁到一个新的稳定的有序状态，在这里，涨落对于耗散结构的形成起了一个触发作用。这时的涨落，对系统来说不再是干扰的因素，而是耗散结构形成的杠杆。没有这种“巨涨落”的推动，系统就不可能发生质的突变。因此，耗散结构所表现出来的有序性，实际上是通过涨落的有序达到的。

4.3耗散结构理论在现代管理中的应用

（1）通过科学管理使企业成为一个开放系统

人类长期的生活实践证明，任何一个社会系统，如果没有同外界环境间多方面的相互作用，就难以存在下去。同样，企业要生存和发展就必须进行开放性管理，不断从外界环境中吸取负熵（各种有用的信息与资源）、输出正熵（各种企业运作中不再需要的人及物），使企业得以稳定有序地发展。事实上，所有企业的经营目的都是要通过人财物等要素的有效组织获取利润，即从环境中吸纳人财物，在企业内部对之进行有机组合，再将形成的新的效用输出到环境中，如此不断生产和再生产，企业便得以生存和发展。总之，要在市场发展许可的范围内尽量开放企业，把企业构建成为一个开放系统，以便形成一个耗散结构。

（2）通过科学管理建立企业的非平衡结构和机制

“远离平衡态”是耗散结构得以产生的一个重要条件。企业系统要可持续发展也必须远离平衡态。企业系统只有远离平衡态，才能向有序方向演化。企业系统的大而全和小而全，分配中的平均主义，领导体制的僵化模式，干部制度中的终身制等，都是违背非平衡要求的，都会滋长惰性、泯灭积极性、降低效率，使企业走向衰败。因此，企业管理者在管理过程中，就可以根据非平衡的要求重新设计企业管理模式。

（3）通过科学管理不断完善企业系统各元素之间的非线性关系

企业系统本质上具有非线性特征，它不是各种资源要素的简单堆积，而是各种要素相互作用，形成价值增值的产品和服务。其输出的产品和服务的价值应当大于全部输入要素的价值。但是，不同企业的非线性特性往往具有明显的差异。对生产同类产品和规模相似的企业来说，资本和技术密集度越高，非线性相干作用越强，其生产效率就越高，产品附加值也越大。因此，作为企业，应努力提高资本有机构成，开发和引进先进技术，加强生产要素之间的非线性相互作用。同时，企业系统机构设置、规章制度和企业文化等的完善也是提高企业非线性特性的必要手段。总之，企业管理者要有意识地改善企业元素的非线性关系，综合运用现代科学管理手段和经营方法，抓住主导因素，同时考虑到不同因素之间的相互干扰和影响，因势利导，增强企业系统的非线性特性和相互作用。

（4）努力驾驭“微涨落”到“巨涨落”的转化，形成有序的耗散结构

企业系统的有序演化也是通过涨落来实现的，所以企业管理应努力实现对涨落的有效驾驭。企业系统内部有各种随机小涨落，如一种新产品的开发成功，一项技术工艺的改进，新管理方法的运用以及某些突发事件的影响等，都可以通过系统内部的非线性作用而被迅速放大、传递，形成宏观上的巨涨落，继而导致企业整体发生质的飞跃，形成一种高水平有序的稳定结构，并在此基础上发展壮大。涨落具有二重性，即涨落既可以是对组织稳定有序状态的干扰，也可以是使组织走向新的有序状态的杠杆。企业要尽早辨明涨落的性质，如果一种涨落会干扰组织的稳定，不利于企业的健康发展，就应避免其扩延而形成巨涨落，如果一种涨落是推动组织发展的积极力量，有利于企业的健康发展，就应采取措施促进其扩延以形成巨涨落，使企业系统跃迁到新的更有序的状态。

总之，耗散结构是实现系统从无序到有序的重要依托，企业在理想发展模式上与耗散结构有着类似的特征，通过管理把企业构建为一个耗散结构，就能实现企业持续发展壮大。耗散结构理论对企业管理具有重大的指引作用，一个耗散结构能为企业管理者提供充分施展才智的空间。