自组织理论简述
2020-01-16 · 技术研发知识服务融合发展。
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3.1.1 自组织
自组织是自然界中的系统在非人为因素下自发产生的有序状态，可包括在时间、空间、功能等方面。自组织可分为平衡态自组织和非平衡态自组织，前者如晶体，是平衡相变时形成的，相变过程具可逆性，是一种低熵、低内能状态，内部结构具较高对称性，不需要与外界进行物质和能量的交换，因此是一种“死”结构。当系统处于不平衡状态时，也能形成自组织态。这种自组织态按比利时物理化学家普利高津的解释，是通过不断与环境进行物质和能量交换引入负熵形成和保持的，这种结构称为耗散结构。非平衡态自组织是系统在远离平衡时，非线性相干作用的结果，过程不具可逆性，内部结构虽具对称性但较差，是一种低熵、内能较高的状态，并且只有不断与外界进行物质和能量的交换才能维持，因此是一种“活”结构，生物就是这种结构的典型。对非平衡态自组织的研究，导致耗散结构论和协调论的建立。现实世界更多的是非平衡系统，而且系统多经历了长时间的演化，因此具有自相似的自组织态是普遍的。
3.1.2 自组织现象
日常生活中经常接触到的许多简单的物理、化学系统，总是从非平衡态趋向平衡态，从有序退化到无序。但仔细审视我们身边的物质世界，就会发现，从无序向有序，从偶然到必然，从简单向复杂，从低级到高级进化的现象是如此普遍，如此的司空见惯，生物界、社会系统、宇宙体系和地球系统等等都存在这种演化，甚至在混沌状态纯偶然性的相互作用中形成具有必然性结构和功能的事物。
（1）贝纳德（Benard）对流的自组织现象
考虑一个从下面加热同时维持上面温度不变的流体层。在温度梯度较小的情况下，热通过热传导传递，流体保持静止。当温度梯度达到一临界值时，流体开始作宏观运动。这个运动是很规则的，可以观察到滚筒形成或六角形的图样。于是在完全均匀的状态上出现了动力学上完全有序的空间图样。当温度梯度进一步增加时，又有新的现象发生。这些滚筒开始沿着它们各自的轴做波状运动，它们的辐条随时间振荡（图3.1）。
图3.1 对流自组织现象
（2）岩石矿物学中的自组织现象
岩石矿物系统也是开放的非理想、非线性、非平衡的热力学系统。成岩过程是各种化学反应、输运过程以及外场等耦合的综合体系。岩石中出现的非平衡自组织现象就是人们注意的由矿物组成、化学成分、结构构造、颜色和粒度变化呈现出的规则周期性现象，如矿物中的振荡环带、矽卡岩的分带、条带混合岩、环斑结构及沉积岩中的某些纹层等等。也就是说岩石中的自组织现象可以在不同的时空尺度上，以不同的级序出现，从矿物组分的振荡分带到地幔对流的形式。对自组织现象的研究能在不同的时空尺度上建立成岩、成矿过程的总体模型。让我们来看如下事例：
1）条带混合岩，它可以在原岩是均一的条件下产生，条带的有序化机理包括简单的化学不稳定而引起的浅色组分和暗色组分的互相分离；化学稳定性与扩散不稳定性之间的竞争。
2）BIF型铁矿石条带-层纹构造。运用地球化学自组织理论，认为它们属于应力作用下岩石内部发生自组织作用的产物。这些条带可以由原来不具条带的岩石，在应力作用下，由类似压溶作用的方式形成条带。其形成机制可概括如下：假如岩石由硬度大的A矿物和硬度小的B矿物组成。如果岩石中A，B矿物的分布存在微小的不均一性，则在应力作用下，A含量少的部位所受到的应力大于A含量多的部位，这将造成该区A矿物的压溶、迁移，从而进一步减小该区A矿物的数量，通过这种正向反馈作用，最终会造成A，B矿物的分离，并沿垂直应力方向的平面形成条带。
3）科拉半岛地区及铁矿区，现代侵蚀表面显示了一系列重要的特征。首先是带状构造单元的分布和构造花纹（石英、磁铁矿、辉石、角闪石等构成的）及岩石杂岩、矿体界线的定向。当遇到明显区域切割方向时，并不改变区域构造褶皱花纹图案在各种比例尺范围内的分布普遍性，只是在交切处有重要的物质组分分布，包括岩浆岩在内。矿体的平面界线、透镜状矿体形成的褶皱花纹、叠覆断层都分布于总的整合群体中，铁矿群体的物质成分、构造组织仍是一致的。
我们知道含矿带不同的水平层（次大陆、区域性的、局部地区的）都会出现减压区或能量耗散区。这些地区的表面会出现不相同的特殊的构造组构，特别是大规模自组织现象，它们属耗散结构之列，这个耗散过程与构造花纹形成过程一样，是物质在非平衡状态的分异和聚集，包括作为群体的铁质石英岩在内。
普利高津曾指出，非平衡系统对外场的反映十分灵敏，外场对非平衡结构类型的选择将起很重要的作用。对于一个黏滞性很大的平衡或近平衡的岩浆系统，重力场的作用很小，而对于物化参数相近，但处于远离平衡态的岩浆系统，重力场将起很大的作用，从而形成复杂的热重力扩散成层现象，出现组分的强烈分异，此时外场对重熔体系中浅色体的有序化起着关键性的作用。
“非平衡乃有序之源”，岩石中自组织现象正是有序化的完美体现。
（3）西南极菲尔德斯半岛地区火山岩浆作用非平衡过程的自组织现象
岩浆在源区因部分熔融而发生，进而汇聚上升和冷凝的过程从总体上来说是一个热能的耗散过程，也是一个远离平衡的过程，虽然在这个过程中，在析出的晶体和熔体之间、在岩浆系统和周围环境之间出现相对、暂时的平衡与平衡破坏的频繁交替，但从总体过程来说，非平衡态处于主导地位。在多级复合结构中除了粗斑斜长石和辉石的内核可能在更大的深度就开始晶出外，粗斑矿物的主体部分是在高位岩浆房内形成的，粗斑的外环则是在上升通道中增生的；连续不等粒斑晶矿物中，粒级较大的部分其内核也是在高位岩浆房内晶出的，其外环也是在上升通道中增生的；连续不等粒斑晶矿物中，粒级较小的部分主体是在上升通道中晶出的；微晶矿物的晶出可以始于上升通道的近地表深度，但结晶结束的时间是在喷出地表后的冷凝过程中。总之多级复合结构的主体反映了岩浆从高位岩浆房到喷出地表的结晶和冷凝的热动力学过程，更确切地说岩浆从高位岩浆房上升的非平衡过程中，结晶和冷凝产生的多级复合结构，是岩浆在特定条件下结晶过程的自组织现象，所以也是一种耗散结构。
3.1.3 自组织现象的特点
自组织现象有以下特点：
1）系统存在结构，存在对称性破缺，这种结构包括时间结构（周期振荡）、空间结构（一维、二维、三维空间的周期分布）、时-空结构（各种形式的波）、功能结构。自组织现象中的结构与通常人们所说的晶体结构不同，称之为耗散结构。耗散结构是一种稳定的宏观结构，说它是稳定的，是指这种结构受到扰动后，只要外界条件不变，结构仍将恢复；但是从微观上分析，系统并不是显现为不变的结构，这与固体中讨论的晶体结构是不同的，晶体结构在分子排列水平上就显现出与宏观一样的空间结构。我们在很多岩浆岩石断面上会看到各种有规律的花纹，这些花纹既不能看成在微观层次上分子的有规律分布形成的宏观花纹，也不能用通常的地质力学中挤压、褶皱等岩石宏观运动来解释。这些岩石的有规律花纹应该看成是古代岩浆有序运动形成耗散结构的遗迹。
2）系统演化存在突变。耗散结构的出现是系统在其演化过程中当某些参数达到临界值时，系统状态发生突变，从均匀的平衡态演化得到的。某种临界值的存在伴随耗散结构现象，在系统某些控制参数越过临界值时，热学力分支失去稳定，微小的涨落会使系统离开热力学分支而进入到新的有序的耗散结构分支，系统发生对称性破缺。突变的时间过程非常短，其动力学过程目前还无法观测研究清楚，通常并不讨论发生突变的弛缓过程，仅研究发生突变前后系统不同稳定状态的形式及特点，特别注重研究系统状态发生突变时外界的控制条件。
3）控制条件与系统的有序结构无明显的联系。一方面，控制条件一般是连续的改变，而系统的状态却是突然变化的。在控制参数一定的范围内，系统状态没有任何变化，而当参数逐渐变化并到某一临界值时，系统状态会发生突然的变化。另一方面，控制条件是对称的，而系统在控制之下所呈现的状态确是不均匀。例如在B-Z反应中，加到反应器中的反应物（可以认为是控制反应的控制因素）是均匀的，并用棒不断搅拌液体使之均匀反应，但却可得到液体颜色随时间周期性的变化。再如Benard流中，对液体加热在水平方向上是均匀的，而液体呈现的花样在水平方向却为周期性的变化，呈现出花样与控制条件在对称性上的不一致。我们不能像通常控制论一样，讨论状态的有序分布如何由控制条件产生，而只能从自组织的角度来分析有序结构与外界控制的关系。
3.1.4 自组织的三个要素
1）结构：结构是指时间或空间的结构，即失稳引起的振荡或波。某些化学反应随时间振荡，其频率只依赖于浓度和温度，并且在一定的边界条件下均匀的空间分布变得不稳定，出现空间不均匀的结构。这种内部存在着宏观流动、状态随时间变化的结构，或者说内部存在宏观差别，以致对称性发生破缺的结构可以统称为非平衡结构。非平衡意味着“对外开放”（交换）和“对内搞活”（流动），它是耗散结构的宏观特征，并且是自组织过程中不可缺少的一个基本要素。
2）功能：功能指化学或生物活性。这里“活性”具体表现为自催化（×的存在加速自身的合成）、自阻化（×的存在阻止合成它所需要的催化）、交叉催化（属于两个不同反应链的两种产物各自促进对方的合成），以及由此而产生的反馈环和调节机制。它们有一个共同的特点，即非线性相互作用。关于这一点普利高津等明确指出：“在化学和生物学中非线性可因自身的特征产生，而与空间不均匀性无关。多数化学反应是碰撞的结果。例如：x＋y→D意味着x和y的分子必须相互作用，这就使得速率比例于CxCy，即得到一个非线性函数。然而我们特别感兴趣的是与调节有关的非线性，在这里物质x能活化或阻滞自己或其他组分的生成速率，而后者又转而反馈于第一种物质。”在化学方面类似于“布鲁塞尔器”的模型，其关键部分就是非线性机制；在生物学方面各种“超循环”本质上也是这种非线性机制。就一般情况而言，在用以描述“化学或生物活性”的微分方程中，一定少不了非线性项。而这种非线性项的存在是系统的临界效应（状态突变）、分叉效应（多重选择）、相干效应（长程关联）的总根源。这些效应在自组织过程中是必不可少的。因此控制自组织的方程本质上是非线性的。
3）涨落：涨落指的是对本征的偏离。本征指系统既定的宏观状态，涨落则是对这一既定宏观状态的局部偏离。比如光源中原子的自发辐射、化学反应中分子浓度的波动、流体中液滴的不规则运动等，其共同的特点是随机性，无法预言、不可控制。对于系统的宏观状态而言，涨落既是干扰者、破坏者，又是引导者、建设者。在宏观结构新旧交替的关键时刻，涨落的这种“破”与“立”的两重性得到了统一。此时，涨落决定全局的结果，通过涨落达到有序。
3.1.5 自组织的三个要素的相互关联
每一要素作用的发挥都以另外两个要素的存在为前提；反过来，每一要素的存在又促进另外两个要素作用的发挥。从而表现出一种“三体”的相互作用。
第一，非平衡系统失稳，以致产生新结构的内部依据是非线性机制和随机涨落的存在。
普利高津指出：“在什么条件下系统远离平衡会失稳、会发生 ‘自组织’ 过程，以致有可能产生新的结构？首先系统要包含一定非线性的因素。”因为远离平衡只是必要条件，并不是充分条件。对于许多化学系统来说，无论所加的约束是什么，无论产生的化学变化的速率如何，定态仍然是稳定的，涨落将被阻尼，就像在平衡范围内的情形一样，原因就在于缺乏特定的非线性机制。具体来说，这种非线性机制在非平衡相变过程中起到如下的作用：①内在地确定了非平衡系统失稳的临界值，即系统失稳所需要达到的远离平衡的程度；②具体提供了非平衡系统失稳的微观机制，比如自催化和正反馈等等；③预先包含了非平衡系统失稳以后进入新的稳定状态的多种可能，即确定了系统演化的可能方向和途径。因此，把复杂性能模型化的第一步就是评估潜在的非线性动力学的特征，并确定一组可表现出不稳定性及分支现象的变量。
进而，远离平衡系统失稳以致形成新结构的第二个条件是依赖于非线性的反常涨落。因为，不稳定性的存在可以被看成是某个涨落的结果。这涨落起初局限在系统的一小部分内，随后扩展开来成为一个巨涨落，并引出一个新的宏观状态。具体来说，涨落在非平衡相变中的作用如下：①它是非平衡系统失稳的“导火索”。系统随时以小的涨落来检查自身的稳定性：在平衡态或平衡附近，涨落对系统的影响可以忽略不计；在远离平衡时，涨落可以出现很大的反常，从而导致系统的失稳。②它是非平衡相变的“驱动力”。在平衡态，涨落只是对系统状态平均值小小的修正；远离平衡时，涨落可以驱动平均值，使之从一种状态转变为另一种状态。③它是非平衡新结构的“胚芽”。系统失稳后出现的新结构本质上是一种涨落的放大，这种被放大的涨落通过与外界交换能量而稳定下来。
第二，非线性机制的发挥，以非平衡约束和随机涨落的存在为前提。
一方面，非平衡态展现了隐藏于非线性之中的潜力。我们知道，非平衡意味着系统内部存在着广义的力（用x表示）和流（用J表示），比如温度梯度、密度梯度、化学亲和势等可以看成是广义的力；相应的传导速度、扩散速度、反应速度等则可看成是广义的流。一般来说流是力的函数（J＝f（x））。显然，在平衡区流和力均为零。如果具体函数存在且可满足条件按泰勒级数展开（以平衡态为参照），那么可以看到：在近平衡区（x很小），流是力的线性函数
另一方面，随机涨落破译了潜在于非线性之中的信息。由于体系具有多重解，分支潜在地产生了信息。多重解意味着要在不同的结果之间进行选择。一经选择，不确定性消除了，对称性发生了破缺，所以说选择破译了信息。那么选择是怎么进行的呢？每当我们达到一个分叉点，决定论的描述便破坏了，系统存在的涨落类型影响着对于将要遵循的分支的选择。这就是为什么对涨落的研究构成了复杂现象动力学的组成部分的基本原因之一。可见，随机涨落实际上是非线性机制本身所预设的一个重要环节。离开了它，非线性机制就不能充分地得以发挥。
第三，随机涨落的放大又以非线性机制和非平衡约束的存在为条件。
1）涨落是对统计平均值的偏离，而这种偏离只有在非平衡状态和非线性作用中才能得以维持。在平衡态这可以明确地加以验证：这时概率分布是泊松型的。同样地，假如所有的反应步骤都是线性的，则粒子将任意在空间产生和消失，其结果是泊松性能仍然盛行于体系之中。但是非线性动力学及非平衡约束的出现将扰乱这种平衡，结果对泊松律的系统偏离将得以维持。我们知道，系统状态按泊松分布的相对涨落与平均值的平方根成反比（
2）巨涨落意味着某种长程相关，而这种长程相关只有在非线性作用和非平衡约束下才可能出现。因为我们讨论的是这样的体系，在其中局域过程（例如自催化反应）与输运过程共存，后者本身又使得相邻的体积元耦合起来。由于涨落，“类化学”过程将有助于造成空间均匀性的偏离。在体积元之间不存在耦合的极端情况下，这将导致限于局域的那些状态任意叠加。甚至当每一体积元内的参数接近于其分支值时，由于将会受到噪声的控制，体系将对分支“视而不见”。另一方面，在各空间体积元被耦合但不存在类化学过程的相反情况下，空间的均匀性有了保证，仍然不会出现秩序，因为根本不存在被递送或维持的“信息”。因此我们可以得出结论，两种类型的过程都是必须的，而且应该说重要性是相当的。可以说，非线性的局域过程是涨落放大的微观机制，它造成了局部的差别及其内在的关联；非平衡的输运过程则是涨落放大的宏观条件，它把局部的差别及其内在关联在空间中扩展开来。只有同时具备这两种过程，涨落才可能放大，并引出新的有序结构。
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