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六、耗散结构理论架起了物理学通向生物学的桥梁
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张星元：六、耗散结构理论架起了物理学通向生物学的桥梁
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比利时的普利高津（I. Prigogine）从演化的角度、从研究偏离平衡状态的热力学系统的输送过程入手，深入讨论离开平衡态不远的非平衡状态的热力学系统的物质、能量输送过程，即流动的过程，以及驱动此过程的热力学力，并对这些流和力的线性关系做出了定量描述，提出了关于非平衡系统线性区的“最小熵产生定理”。这个定理指出，线性非平衡系统演化的基本特征是趋向平衡状态，即熵增最小的定态，由此否定了线性区存在突变的可能性。
在研究非平衡热力学系统的线性区的演化规律的基础上，开始探索非平衡热力学系统在非线性区的演化特征。在研究偏离平衡态热力学系统时发现，当系统离开平衡态的参数达到一定阈值时，系统将会出现“行为临界点”，在越过临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态；若将系统推向离平衡态更远的地方，系统可能演化出更多新的稳定有序结构，这类稳定的有序结构就是“耗散结构(dissipative structure)”。
经过将近20年的探索，普里高津于1969年提出了关于远离平衡状态的非平衡热力学系统的耗散结构理论[2]。耗散结构理论指出，系统从无序状态过渡到这种耗散结构有三个必要条件，一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；二是系统必须是远离平衡状态的；三是系统内部存在着非线性相互作用，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的。
偏离平衡状态的开放系统通过涨落，在越过临界点后“自组织”成耗散结构，耗散结构由突变而涌现，而且状态是稳定的。耗散结构理论指出，开放系统在远离平衡状态的情况下可以涌现出新的结构。地球上的生命体都是远离平衡状态的不平衡的开放系统，它们通过与外界不断地进行物质和能量交换，经自组织而形成一系列的有序结构。可以认为这就是解释生命过程的热力学现象和生物进化的热力学理论基础。耗散结构理论和非平衡态热力学成功地解决了热力学第二定律与达尔文进化论这个令人困惑的难题。（待续）
在研究非平衡热力学系统的线性区的演化规律的基础上，开始探索非平衡热力学系统在非线性区的演化特征。在研究偏离平衡态热力学系统时发现，当系统离开平衡态的参数达到一定阈值时，系统将会出现“行为临界点”，在越过临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态；若将系统推向离平衡态更远的地方，系统可能演化出更多新的稳定有序结构，这类稳定的有序结构就是“耗散结构(dissipative structure)”。
经过将近20年的探索，普里高津于1969年提出了关于远离平衡状态的非平衡热力学系统的耗散结构理论[2]。耗散结构理论指出，系统从无序状态过渡到这种耗散结构有三个必要条件，一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；二是系统必须是远离平衡状态的；三是系统内部存在着非线性相互作用，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的。
偏离平衡状态的开放系统通过涨落，在越过临界点后“自组织”成耗散结构，耗散结构由突变而涌现，而且状态是稳定的。耗散结构理论指出，开放系统在远离平衡状态的情况下可以涌现出新的结构。地球上的生命体都是远离平衡状态的不平衡的开放系统，它们通过与外界不断地进行物质和能量交换，经自组织而形成一系列的有序结构。可以认为这就是解释生命过程的热力学现象和生物进化的热力学理论基础。耗散结构理论和非平衡态热力学成功地解决了热力学第二定律与达尔文进化论这个令人困惑的难题。（待续）
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