一、耗散结构的形成条件、特点及其理论意义

耗散结构理论是研究关于开放系统如何从无序向稳定有序演化的过程和规律的理论，其中“耗散结构”是这一理论的核心概念。1969年，比利时物理化学家伊里亚·普利高津（Elya Prigogine）在一次理论物理和生物学国际会议上首次提出“耗散结构”概念。指出耗散结构是：在远离平衡的条件下，当外界条件达到某一阈值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界环境进行能量和物质交换，出现一种自组织现象，使得组成系统的各个子系统之间互相协调作用，形成一种时间、空间或功能的有序结构。因而，耗散结构理论又被称为非平衡系统的自组织理论。这一理论指出，耗散结构的形成是一种自然现象，普遍存在于自然界和人类社会中。如激光、人体、生物圈、城市和社会等都是在一定条件下形成耗散结构。一个远离平衡的开放系统，由于其内部的非线性相互作用，具有发生自组织过程的能力。通过不断地与外界进行能量和物质交换，这样的系统将发生从无序热力学分支向耗散结构分支转化，从原有的混乱无序状态转变为在时间、空间或功能上有序的状态，形成一种稳定的有序结构。

耗散结构是相对于静态平衡结构而言的动态有序结构，它是一种非平衡结构，具有不可逆性。虽然耗散结构理论是在经典热力学基础上发展起来的，但是经典热力学不能有效解释非平衡态现象。按照经典热力学的观点，物质系统的演化总是趋于平衡的，平衡结构是有序的。而非平衡热力学的研究指出平衡态是无序的，非平衡才可能是有序的。普里高津的研究进一步指出，当开放系统与环境发生持续的能量、物质的交换，系统将会由原来的近平衡态，渐渐趋向于远离平衡态，并且由于这一过程的不可逆导致系统能量的耗散，使其发生自组织。

根据耗散结构理论，一个系统的演化发生自组织及耗散结构的形成必须具备几个条件。

第一，系统必须是开放的，并能够与外界环境进行能量和物质交换，即引入负熵，才能从无序向有序演化。但开放性只是系统发生自组织的必要条件，只有正确而充分地对外开放，才能保证系统自组织的出现。一方面，正确的开放要求系统能量和物质的输入—输出在选择和运行中是正确的。就像人体一样，要吃干净、无毒的食物，否则就会中毒或引发疾病。类似地，错误的开放从外界得到的是正熵，这只会加速系统有序结构的瓦解。另一方面，正确的开放尽管能从外界得到负熵，但是如果开放不充分，熵交换中从外部得到的负熵不足以克服系统自身的熵增，仍然不能出现自组织。

第二，系统必须足够远离平衡态，非平衡是有序之源。这既是实现系统与环境总存在持续的能量和物质交换的保障条件，也为实现系统的有序演化提供“内环境”。

第三，系统内部各个子系统（或要素）之间存在非线性作用。非线性作用产生突变和分叉，从而产生系统演化的多样性和复杂性。(www.daowen.com)

第四，系统必须存在随机涨落触发。涨落也称作扰动，是指系统的某个变量或某种行为对平衡值的偏离。涨落具有偶然性、随机性和无序性，在不同状态下作用不同。耗散结构理论认为，在接近平衡态的线性非平衡区，涨落的发生只是系统的暂时偏离，随着这种偏离的不断衰减会回到稳定状态。而在远离平衡的非线性区，系统内一个随机的微小涨落，可能会通过非线性作用和连锁效应被迅速放大，形成整体的宏观的“巨涨落”，导致系统发生突变，进而形成新的稳定有序状态，这就是“涨落导致有序”。涨落是系统形成自组织的触发器。

以上四个条件紧密联系，互相支撑，开放性是基本前提，远离平衡是必要条件，非线性机制是内在基础，涨落是演化发展的诱因。

在上述条件下，一个远离平衡的开放系统通过自组织，形成耗散结构，预示着它具备了几个基本特点：第一，它只能发生在开放系统中；第二，耗散结构系统中各子系统、要素之间的相互作用的非线性机制，使整个系统呈现非平衡态；第三，耗散结构系统中子系统之间存在竞争机制，使系统整体上呈现结构的涨落性，通过随机涨落，系统实现从无序向有序的演化。

耗散结构理论是用来阐释系统远离平衡时的自组织演化的，系统在远离平衡时会通过自我协调、自我组织形成一个具有自我调节功能的有序结构，系统通过自组织，不断与环境进行能量与物质交换，促使系统有序演化。这一理论对诸如物理学、生物学、经济学、哲学等自然科学或社会科学领域都产生了重大影响。在物理学方面，加深了物理学中的有序概念；在数学方面，它促进了分岔理论与随机过程论的发展；在生态学方面为生态复杂性研究提供了理论基础；在经济学领域为经济学和综合国力研究提供了理论武器；更重要的是对复杂性科学的发展产生了重大影响。

工程作为由多种要素组成的开放性复杂系统，由于在系统运行中不断地与外界环境进行能量、物质和信息交换使得系统处于远离平衡态，同时系统内部各个子系统（或组元）之间存在非线性作用，以及工程在运行过程中受内外各种因素变化会触发随机涨落效应。因此，工程作为系统的物质和能量的不断耗散过程，满足耗散结构形成的条件，依据耗散结构理论研究工程演化的自组织方式具有启发意义。