耗散结构理论20世纪以来，以复杂系统为核心研究对象的新型研究范式日益受到学界重视，逐渐发展成为一门具有革命性意义的交叉学科领域。在这一领域的发展历程中，以诺贝尔奖得主、比利时物理化学家伊里亚·普里高津（Ilya Prigogine）为首的布鲁塞尔学派做出了开创性贡献。该学派最具里程碑意义的成果当属普里高津创立的耗散结构理论，这一理论不仅开创了非平衡态热力学研究的新纪元，更为理解复杂系统的自组织现象提供了全新的理论框架。主讲人许雨畅从耗散结构理论的历史背景出发，详细讲解了耗散结构理论诞生的时代背景、概念内涵、形成条件及应用场景，揭示了耗散结构理论对当今社会发展的潜在价值。主讲人：许雨畅

（一）耗散结构理论诞生的历史背景

18世纪至19世纪的经典物理学研究塑造了一个决定论的世界图景。在这一范式下，研究者普遍认为宇宙运行规律完全遵循可预测的确定性法则，无论是天体运动还是微观粒子行为，都可以通过牛顿力学方程或哈密顿体系精确描述和计算。这种机械决定论的世界观催生了用线性思维理解复杂现象的认知模式，并深刻影响着当时的社会科学思潮。然而，20世纪初以相对论和量子力学为代表的物理学革命彻底动摇了这一认知基础。爱因斯坦等科学先驱的发现揭示出：现实世界本质上是确定性与随机性、可逆性与不可逆性、简单性与复杂性辩证统一的复杂系统。特别是随着第三次科技革命的深入发展，人们日益认识到传统的简化论思维已无法适应解释复杂现实的需要。在这样的科学革命背景下，耗散结构理论的诞生具有特殊的时代意义。作为复杂性科学的重要理论支柱，它不仅打破了平衡态物理学的理论局限，更提供了一种理解生命世界与物理世界统一性的新范式。该理论促使科学界重新审视人与自然的关系，推动了自然科学与人文科学的深度对话，为构建更具整体性和人文关怀的科学世界观开辟了新路径。

（二）耗散结构理论

无序与有序的熵变耗散结构的具体含义可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的，还是社会的、经济的、教育的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定数值时，通过涨落运动，系统可能发生突变，进而由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的、稳定的宏观有序结构由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此被称为“耗散结构”。耗散结构理论是研究开放系统在远离平衡态条件下，通过能量与物质交换形成有序结构的条件、机理及演化规律的理论体系。该理论具有以下核心特征：首先，耗散结构普遍存在于自然界和人类社会中，涵盖物理、化学、生物乃至社会系统等多个层面，如生命代谢、生态系统演化以及城市发展等。其次，耗散结构是一种动态稳定的时空有序结构，其形成源于系统在非平衡条件下的突变。当开放系统的某一控制参数超过临界阈值时，系统可通过涨落触发相变，从原有的无序混沌状态自发演化为具有时间、空间或功能有序性的新结构。再次，耗散结构的维持依赖于持续的熵产生与耗散过程。尽管其有序性显著，但这类结构并非静态平衡，而是动态稳定的“非平衡定态”，对外界微小扰动表现出稳健性，不会因随机涨落而轻易瓦解。最后，耗散结构的形成本质上是自组织过程。系统无需外部特定指令，仅依靠内部非线性动力学机制（如正负反馈耦合）和随机涨落的放大效应，即可自发涌现出复杂有序模式。这一理论突破了经典热力学对孤立平衡系统的研究框架，为理解生命系统、社会演化等复杂现象提供了新的范式。

（三）耗散结构形成的基本条件

第一，系统必须是一个开放系统。熵是热能与其温度的比值，表征热量转化为功的能力。这一概念于1850年被德国物理学家鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）首次提出，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布越均匀，熵就越大。当一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵便达到最大值。在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，能量之间的差值总是倾向于被消除的。耗散结构的形成必须依赖开放系统，只有通过与外界进行持续的物质和能量交换，系统才能维持远离平衡态的有序结构。当从外界流入的负熵足够大，且能够抵消系统自身的熵产生时，系统的总熵就会减少，从而有可能从混沌无序状态向新的有序状态转化。

第二，系统应该远离平衡态。远离平衡态是耗散结构形成的必要条件，指系统内部存在显著的非均匀性，其物理参量（如温度、浓度、压强等）呈现剧烈梯度变化的状态。与平衡态（熵最大化的均匀状态）和近平衡态（线性非平衡区）不同，远离平衡态下系统与环境的能量/物质交换达到临界阈值，使得系统脱离热力学分支失稳点。普里高津通过最小熵产生原理证明，只有在远离平衡的开放系统中，非线性动力学机制才能克服热力学第二定律的熵增趋势，从而得出“非平衡是有序之源”的经典论断。此时，随机涨落通过正反馈被放大，驱动系统跨越分岔点，最终形成时空有序的耗散结构。实验表明，当外界控制参数超过特定临界值时，系统才能突破线性响应区进入远离平衡态。值得注意的是，这种非平衡稳态需要持续的能量耗散来维持，其有序程度反而与熵产生率正相关，这彻底改变了传统物理学对封闭系统平衡结构的研究范式，为理解生命系统等复杂自组织现象提供了理论基础。

第三，系统内部各要素之间存在非线性的相互作用。耗散结构的产生依赖于系统内部的非线性相互作用。这种相互作用使得系统能够通过自组织过程形成有序结构，而不是简单地趋向于无序。在平衡态附近，系统的行为通常呈现线性特征，其演化趋势是可预测的、趋于均匀的。然而，当系统被驱动至远离平衡态时，各要素间的非线性耦合效应开始主导系统动力学，微小的扰动可能被指数级放大，导致系统行为发生质的变化。这种非线性机制使得系统在临界点附近出现多重稳定状态，并通过分叉现象实现不同有序结构之间的切换。随着外界约束条件的持续增强，系统可能经历一系列分叉，演化路径呈现出高度的复杂性和多样性。尽管这类系统的长期行为具有对初值的极端敏感性，但其动力学过程仍受内在确定性规律的支配。因此，非线性相互作用构成了耗散结构形成的数学基础，为理解开放系统中无序向有序的转变提供了关键的理论依据。

第四，系统从无序向有序演化是通过随机涨落来实现的。涨落是指系统某种客观状态的平均值的偏离，其为系统的自组织过程提供了初始驱动力。在远离平衡态的非线性区，小涨落可以通过非线性作用形成一个整体的宏观“巨涨落”，对系统产生巨大影响。这种巨涨落可能打破系统原有的稳定性，推动系统跨越临界点，进入新的有序状态。普里高津指出，涨落在平衡态附近通常会被系统阻尼机制所抑制，但在远离平衡态的非线性区域，涨落反而会被放大，成为系统演化的关键因素。例如，在贝纳德对流中，微小的温度涨落在临界条件下可以引发宏观的六边形对流元胞结构。这种通过涨落触发有序的现象，体现了耗散结构“通过涨落达到有序”的核心机制。

（四）耗散结构理论的应用场景

耗散结构理论作为揭示复杂系统自组织演化规律的重要科学理论，其独特的方法论价值不仅为理解自然现象提供了新视角，更为阐释社会系统的运行机制开辟了新路径。这一理论的影响力已跨越学科边界，在物理学、天文学、生物学等自然科学领域，以及经济学、社会学、哲学等社会科学领域都产生了深远影响。未来学家阿尔文·托夫勒（Alvin Toffler）曾高度评价道：“耗散结构理论的提出，堪与相对论和量子力学的革命性突破相媲美。”从理论本质来看，耗散结构理论的研究对象是开放系统。而现实世界中，无论是生命系统还是非生命系统，本质上都是与外界环境持续进行物质、能量和信息交换的开放系统。这一普适性特征使得耗散结构理论的应用范围之广，在科学史上实属罕见。经过半个多世纪的发展，该理论已在多个领域结出丰硕成果：在自然科学方面，成功解释了化学振荡反应、生物体新陈代谢、生态系统演替等现象；在社会科学领域，为城市发展、经济周期、文化传播等复杂过程提供了新的分析框架；在应用科学层面，更在医学诊断、气象预测、农业生态等领域展现出重要的实践价值。可以说，耗散结构理论正在成为连接自然科学与社会科学的重要桥梁。