耗散結(jié)構(gòu)理論可概括為：一個遠離平衡態(tài)的非線性的開放系統(tǒng)(不管是物理的、化學的、生物的乃至社會的、經(jīng)濟的系統(tǒng))通過不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在系統(tǒng)內(nèi)部某個參量的變化達到一定的閾值時，通過漲落，系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變，由原來的混沌無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。這種在遠離平衡的非線性區(qū)形成的新的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)，由于需要不斷與外界交換物質(zhì)或能量才能維持，因此稱之為“耗散結(jié)構(gòu)”(dissipative structure)?？梢?，要理解耗散結(jié)構(gòu)理論，關(guān)鍵是弄清楚如下幾個概念：遠離平衡態(tài)、非線性、開放系統(tǒng)、漲落、突變。
我們首先從幾個例子看一下究竟什么是耗散結(jié)構(gòu)。天空中的云通常是不規(guī)則分布的，但有時藍天和白云會形成藍白相間的條紋，叫做天街，這是一種云的空間結(jié)構(gòu)。容器裝有液體，上下底分別同不同溫度的熱源接觸，下底溫度較上底高，當兩板間溫差超過一定閾值時，液體內(nèi)部就會形成因?qū)α鞫a(chǎn)生的六角形花紋，這就是著名的貝納德效應，它是流體的一種空間結(jié)構(gòu)。在貝洛索夫—一薩波金斯基反應中，當用適當?shù)拇呋瘎┖椭甘緞┳鞅岬匿逅嵫趸磻獣r，反應介質(zhì)的顏色會在紅色和藍色之間作周期性變換，這類現(xiàn)象一般稱為化學振蕩或化學鐘，是一種時間結(jié)構(gòu)。在某些條件下這類反應的反應介質(zhì)還可以出現(xiàn)許多漂亮的花紋·，此即薩波金斯基花紋，它展示的是一種空間結(jié)構(gòu)。在另外一些條件下，薩波金斯基花紋會成同心圓或螺旋狀向外擴散，象波一樣在介質(zhì)中傳播，這就是所謂化學波，這是一種時間一一空間結(jié)構(gòu)。諸如此類的例子很多，它們都屬于耗散結(jié)構(gòu)的范疇。為了從各不相同的耗散結(jié)構(gòu)實例中找出其本質(zhì)的特征和規(guī)律，普里戈津?qū)W派研究了非平衡熱力學,繼承和發(fā)展了前人關(guān)于物理學中相變的理論，運用了當代非線性微分方程以及隨機過程的數(shù)學知識，揭示出耗散結(jié)構(gòu)有如下幾方面的基本特點。
首先，產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)都包含有大量的系統(tǒng)基元甚至多層次的組分。貝納德效應中的液體包含大量分子。天空中的云包含有由水分子組成的水蒸氣、液滴，水晶和空氣，因而是含有多組分多層次的系統(tǒng)。至于貝洛索夫——薩波金斯基反應，其中不僅含有大量分子原子和離子，并且有許多化學成分。不僅如此，在產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，基元間以及不同的組分和層次間還通常存在著錯綜復雜的相互作用，其中尤為重要的是正反饋機制和非線性作用。正反饋可以看作自我復制自我放大的機制，是“序”產(chǎn)生的重要因素，而非線性可以使系統(tǒng)在熱力學分支失穩(wěn)的基礎(chǔ)上重新穩(wěn)定到耗散結(jié)構(gòu)分支上。
第二，產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)必須是開放系統(tǒng)，必定同外界進行著物質(zhì)與能量的交換。天街中的云一定會和周圍的大氣和云進行物質(zhì)交并和外界進行能量交換。如欲維持貝洛索夫一薩波金斯基反應中的時間、空間，時間——空間結(jié)構(gòu)，則需不斷地向進行反應的容器中注入所需的化學物質(zhì)，這正是系統(tǒng)與外界的物質(zhì)交換。耗散結(jié)構(gòu)之所以依賴于系統(tǒng)開放是因為根據(jù)熱力學第二定律，一個孤立系統(tǒng)的熵要隨時間增大直至極大值，此時對應最無序的平衡態(tài)，也就是說孤立系統(tǒng)絕對不會出現(xiàn)耗散結(jié)構(gòu)。而開放系統(tǒng)可以使系統(tǒng)從外界引入足夠強的負熵流來抵消系統(tǒng)本身的熵產(chǎn)生而使系統(tǒng)總熵減少或不變，從而使系統(tǒng)進入或維持相對有序的狀態(tài)。
第三，產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)必須處于遠離平衡的狀態(tài)。為了簡單說朋問題，先舉一個有關(guān)平衡狀態(tài)的例子。假定暖水瓶是完全隔熱的，里邊放入溫水，蓋上瓶塞，其中的水不再受外界任何影響，最后水就進入一種各處溫度均勻，沒有宏觀流動和翻滾且不再隨時間改變的狀態(tài)，叫平衡態(tài)，相應的結(jié)構(gòu)稱為平衡結(jié)構(gòu)。根據(jù)熱力學理論，在這種狀態(tài)下是不可能出現(xiàn)任何耗散結(jié)構(gòu)的。如果把瓶塞打開，用細棒攪拌瓶中的水，這時系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生翻滾流動，脫離平衡態(tài)。但若重新蓋上瓶塞，經(jīng)過足夠長時間，系統(tǒng)又將不可避免的馳豫到新的平衡態(tài)，仍不會有耗散結(jié)構(gòu)。這表明系統(tǒng)雖走出了平衡態(tài)，但離開平衡態(tài)不夠“遠”。要想使系統(tǒng)產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu)，就必須通過外界的物質(zhì)流和能量流驅(qū)動系統(tǒng)使它遠離平衡至一定程度，至少使其越過非平衡的線性區(qū)，即進入非線性區(qū)。最明顯的例子是貝納德效應，若上下溫差很小，不會出現(xiàn)六角形花紋，表明系統(tǒng)離開平衡態(tài)不夠遠。待溫差達到一定程度，即離開平衡態(tài)足夠遠，才發(fā)生貝納德對流。這里強調(diào)指出，耗散結(jié)構(gòu)與平衡結(jié)構(gòu)有本質(zhì)的區(qū)別。平衡結(jié)構(gòu)是一種“死”的結(jié)構(gòu)，它的存在和維持不依賴于外界、而耗散結(jié)構(gòu)是個“活”的結(jié)構(gòu)，它只有在非平衡條件下依賴于外界才能形成和維持。由于它內(nèi)部不斷產(chǎn)生熵，就要不斷地從外界引入負熵流，不斷進行“新陳代謝”過程，一旦這種“代謝”條件被破壞，這個結(jié)構(gòu)就會“窒息而死”。所有自然界的生命現(xiàn)象都必須用第二種結(jié)構(gòu)來解釋。
第四，耗散結(jié)構(gòu)總是通過某種突變過程出現(xiàn)的，某種臨界值的存在是伴隨耗散結(jié)構(gòu)現(xiàn)象的一大特征，如貝納德對流，激光，化學振蕩均是系統(tǒng)控制參量越過一定閾值時突然出現(xiàn)
的。
最后，耗散結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)是由于遠離平衡的系統(tǒng)內(nèi)部漲落被放大而誘發(fā)的。什么是漲落呢?舉個例子，密閉容器內(nèi)的氣體，如果不受周圍環(huán)境的影響或干擾，就會像前面所說的那樣達到平衡態(tài)，不難想象，這時容器內(nèi)各處氣體的密度是均勻的。然而由于大量氣體分子作無規(guī)則熱運動而且相互碰撞，可能某瞬時容器內(nèi)某處的密度略微偏大，另一瞬時又略微偏小，即密度在其平均值上下波動。這種現(xiàn)象就叫漲落。如果僅限于討論處于平衡態(tài)氣體內(nèi)部的漲落，意義并不十分大。雖然無規(guī)則運動和碰撞的存在將不時產(chǎn)生相對于平衡的偏差。但由于同樣的原因這種偏差又不斷地平息下去，從而平衡得以維持。在遠離平衡，意義就完全不同了，微小的漲落就能不斷被放大使系統(tǒng)離開熱力學分支而進入新的更有序的耗散結(jié)構(gòu)分支。漲落之所以能發(fā)揮這么大的作用是因為熱力學分支的失穩(wěn)已為這一切準備好了必要的條件，漲落對系統(tǒng)演變所起的是一種觸發(fā)作用。
綜述以上各點概括起來說，所謂耗散結(jié)構(gòu)就是包含多基元多組分多層次的開放系統(tǒng)處于遠離平衡態(tài)時在漲落的觸發(fā)下從無序突變?yōu)橛行蚨纬傻囊环N時間，空間或時間——空間結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)理論的提出對當代哲學思想產(chǎn)生了深遠的影響，該理論引起了哲學家們的廣泛注意。在耗散結(jié)構(gòu)理論創(chuàng)立前，世界被一分為二：其一是物理世界，這個世界是簡單的、被動的、僵死的，不變的可逆的和決定論的量的世界；另一個世界是生物界和人類社會，這個世界是復雜的、主動的、活躍的、進化的，不可逆和非決定論的質(zhì)的世界。物理世界和生命世界之間存在著巨大的差異和不可逾越的鴻溝，它們是完全分離的，從而伴隨而來的是兩種科學，兩種文化的對立。而耗散結(jié)構(gòu)理論則在把兩者重新統(tǒng)一起來的過程中起著重要的作用。耗散結(jié)構(gòu)理論極大地豐富了哲學思想，在可逆與不可逆，對稱與非對稱，平衡與非平衡，有序與無序、穩(wěn)定與不穩(wěn)定，簡單與復雜，局部與整體，決定論和非決定論等諸多哲學范疇都有其獨特的貢獻。耗散結(jié)構(gòu)理論可以應用于研究許多實際現(xiàn)象。上面所談的“天街、貝納德效應以及貝洛索夫——薩波金斯基反應分別屬于物理和化學范疇，值得提到的是在生命現(xiàn)象中也包含有多層次多組分，例如從種群、個體、器官、組織、細胞以及于生物分子，各層次間以及同一層次的各種組分間存在著更為復雜的相互作用。生命系統(tǒng)需要新陳代謝，因而必定是開放系統(tǒng)。再者生命系統(tǒng)必然是遠離平衡的。因此生命系統(tǒng)成為耗散結(jié)構(gòu)理論應用的對象是十分自然的。這方面目前取得較多進展的有動物體內(nèi)釋放能量的生化反應糖酵解的時間振蕩，還有關(guān)于腫瘤免疫監(jiān)視的問題以及一些生態(tài)學中的問題。
從廣義講，人類社會也是遠離平衡的開放系統(tǒng)。因此，像都市的形成發(fā)展，城鎮(zhèn)交通，航海捕魚，教育經(jīng)濟問題等社會經(jīng)濟問題也可作為耗散結(jié)構(gòu)理論應用的領(lǐng)域。耗散結(jié)構(gòu)理論自提出以來，一直在理論和實際應用兩個方面同時拓展，今后的發(fā)展也可望順著這個路子往下走。因為并非一切遠離平衡的復雜性開放系統(tǒng)的行為都可以歸納為耗散結(jié)構(gòu)，所以，作為更高層次的一般研究復雜系統(tǒng)的系統(tǒng)科學的一個分支理論，面對紛繁復雜的實際世界，其未來充滿挑戰(zhàn)，也面對機會，可謂任重道遠。
小結(jié)
耗散結(jié)構(gòu)理論，是系統(tǒng)理論發(fā)展的第二個階段。這個階段的理論主要是對系統(tǒng)作動態(tài)描述。即研究系統(tǒng)是如何維持存在的。系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間是如何相互作用的，這些研究為人類認識系統(tǒng)功能，并最終介入系統(tǒng)運動，控制系統(tǒng)為人類利益服務打下基礎(chǔ)。
《一個比喻：錢對人的作用》
為了更清楚地說明熵和有序行為之間的關(guān)系也許我們可以用一位打算省錢的先生可取的選擇作比喻。如果他是一文不名，那么他在消費上的改變，相當于平衡態(tài)時，熵的變化：是零。也就是說，對于一個完全沒錢的人，也不存在對錢的支配的問題。這樣根本不存在與錢有關(guān)的任何問題。這就叫做“平衡”。實際上是一種無生命的狀態(tài)。然而真實的世界不是處于平衡態(tài)。所以我們這位希望省錢的先生，其實有少量的錢。在這種情況下，他能做的是，除必須花費一些飲食上以外，他要把他的開銷降低到能使他活下來的最低水平。這時這位先生離開平衡態(tài)有了一段距離。因為他有了一點線，因此，也就有了一些較低水平的少量的活動。這里，這位先生，有生命活動，但不多，因為錢少。距離平衡點的距離太近?，F(xiàn)在讓我們來看遠離平衡時會發(fā)生什么情況。即，如果這位先生有許多錢，那么他除了可以盡量吃好外，要買一所房子，房子要裝修，要娶老婆，維持一個家。要把一部分錢存在銀行里，更重要的是，要合乎一部分錢辦一個實業(yè)，以便資本升值，不至于坐吃山空。等到實業(yè)辦好了，又想到通過實業(yè)使資本升值周期太慢，最快的方法是投資金融業(yè)，以錢變錢。如此這般，這里這位先生不僅每天要跑工廠，跑銀行，跑交易所，還要乘飛機到處跑。以便節(jié)省時間。手里合乎著手機，不停地與名方面通話，這叫做信息，甚至夜里也不能安眠——這就是說，當他有很多錢，遠離了平衡態(tài)時，他就表現(xiàn)出充分的生命力，可以干許多事情。反過來，也可以說，正是這些錢使這位先生遠離了平衡態(tài)。
自組織與耗散
自組織現(xiàn)象是指自然界中自發(fā)形成的宏觀有序現(xiàn)象。在自然界中這種現(xiàn)象是大量存在的，理論研究較多的典型實例如：貝納德(Bénard)流體的對流花紋，貝洛索夫－扎鮑廷斯基(Belousov-Zhabotinsky)化學振蕩花紋與化學波，激光器中的自激振蕩等。自組織理論除耗散結(jié)構(gòu)理論外，還包括協(xié)同學、超循環(huán)理論等，它們力圖溝通物理學與生物學甚至社會科學，對時間本質(zhì)問題等的研究有突破性進展，在相當程度上說明了生物及社會領(lǐng)域的有序現(xiàn)象。耗散結(jié)構(gòu)是自組織現(xiàn)象中的重要部分，它是在開放的遠離平衡條件下，在與外界交換物質(zhì)和能量的過程中，通過能量耗散和內(nèi)部非線性動力學機制的作用，經(jīng)過突變而形成并持久穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)。
附一些常見概念：
1系統(tǒng)的分類：
a孤立系統(tǒng)：與環(huán)境既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換
b封閉系統(tǒng)：與環(huán)境有能量交換，但沒有物質(zhì)交換
c開放系統(tǒng)：與環(huán)境既有能量交換，也有物質(zhì)交換
因為自然界中，真正的孤立系統(tǒng)實際上是不存在的，所以在實際工作中，人們常將孤立系統(tǒng)與封閉系統(tǒng)兩個概念混用。
2熱力學第二定律：任何孤立系統(tǒng)都會因為熱量的散失，而與環(huán)境達到熱平衡而失去做功能的能力。物理學將散失的熱量稱為“熵”，這樣，熱力學第二定律又可表述為：一個孤立系統(tǒng)最終都將達到一個最大熵的熱平衡狀態(tài)。（宇宙熱死）
3研究發(fā)現(xiàn)對于復雜系統(tǒng)物質(zhì)來講，雖然也存在熱的散失，但系統(tǒng)并未走向與環(huán)境達到熱平衡的狀態(tài)，相反，復雜系統(tǒng)可以處在遠離熱平衡的狀態(tài)不變。
4研究發(fā)現(xiàn)：之所以出現(xiàn)上述現(xiàn)象，是因為復雜系統(tǒng)是一個“開放系統(tǒng)”。它除了向環(huán)境排出物質(zhì)及耗散能量之外，還能不斷地從外環(huán)境得到物質(zhì)和能量的補充。
5負熵：物理學將從環(huán)境得到的物質(zhì)和能量稱為“負熵”。因此，物理學給生命下的定義是：生命以負熵為生。
6這樣得出耗散結(jié)構(gòu)理論的第一條內(nèi)容：
開放系統(tǒng)：系統(tǒng)要想保持自身的結(jié)構(gòu)和功能狀態(tài)，必須是一個開放系統(tǒng)，必須不斷從環(huán)境獲取物質(zhì)和能量的補充。
7以第一條內(nèi)容為基礎(chǔ)，得出第二條內(nèi)容：
遠離平衡態(tài)：復雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能只有在遠離平衡態(tài)時才能維持。當系統(tǒng)接近平衡態(tài)時，功能狀態(tài)逐漸降低，達到平衡態(tài)時系統(tǒng)徹底死亡。
8耗散結(jié)構(gòu)理論的第三條內(nèi)容：
耗散結(jié)構(gòu)中有正反饋存在。耗散結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，要想維持自身結(jié)構(gòu)和功能的存在，必須允許系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)之間有正反饋相互作用存在。正是這些正反饋的存在，才引起系統(tǒng)內(nèi)各種非線性的相互作用，并通過漲落形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
9耗散結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)變、飛躍，即一系統(tǒng)向另一系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，新系統(tǒng)、新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生打下基礎(chǔ)：子系統(tǒng)不斷接收外來的物質(zhì)和能量后，不斷加強的正反饋運動，最終會突破系統(tǒng)調(diào)節(jié)中樞的負反饋控制，這時，這些子系統(tǒng)會在新的條件下達到新的平衡，這時原系統(tǒng)也就轉(zhuǎn)化成新的系統(tǒng)，新結(jié)構(gòu)也就誕生了。
