6.1.1 係統的穩定態
所謂係統的狀態是指係統的某種特性在某一時刻所處的情況;它由描述係統性質的一組變量表示,變量隨時間的變化表示了係統狀態隨時間變化的情況。例如,對於熱力學係統,可用溫度、壓強等宏觀參量描述係統的狀態;經濟係統可用國內生產總值、財政收入等描述。自組織理論中的平衡概念與生態平衡、經濟平衡等的“平衡”含義是不同的。在自組織理論中,平衡態是指孤立係統在相當長的時間以後形成的一種宏觀靜止狀態,係統不隨時間變化,與外界沒有聯係,整個係統呈現出均勻、單一的特點,是一種無序的狀態(薑璐,時龍,1996)。非平衡則相反。由此,根據係統的這種內部特性差異,以及狀態的距平衡態的動態特性,係統又可分為平衡態和非平衡態兩種穩定態。普利高津(1998)指出,係統“距平衡態的距離就像平衡熱力學中的溫度,它成了描述自然的一個基本參量”。
平衡態時,係統各處可測的宏觀物理性質均勻,內部沒有宏觀不可逆過程發生。此時,描述狀態的宏觀參量不再隨時間變化,係統內部不存在宏觀流動如熱流、粒子流等。對於熱力學係統,平衡態遵守熱力學第一定律:
dE=dQ-pdV
即係統內能的增量等於係統所吸收的熱量減去係統對外所做的功;遵守熱力學第二定律:
dS/dt≥0
即係統的自發運動總是向著熵增加的方向;和波爾茲曼有序性原理:
即溫度為 T的係統中內能為 Ei 的子係統的比率為 Pi(張本祥,孫博文,1997)。
非平衡態則相反。根據差異程度不同,又將非平衡態劃分為近平衡態和遠離平衡態兩種。而且,對於不同的係統,例如不同的生物係統、城市係統、高新技術企業集群,係統自組織的近平衡態和遠離平衡態的臨界值是不同的,這體現了係統“生長發育”的個性化要求和特征。
近平衡態是指係統處於離平衡態不遠的線性區,它遵守昂薩格(Onsager)倒易關係和最小熵產生原理。前者可表述為:Lij=Lj i,即隻要和不可逆過程 i相應的流 Ji受到不可逆過程 j的力 Xj 的影響,那麼,流 Jj 也會通過相等的係數 Lij受到力 Xj 的影響。後者意味著,當給定的邊界條件阻止係統達到熱力學平衡態(即零熵產生)時,係統就落入最小耗散(即最小熵產生)的態(張本祥,孫博文,1997)。
遠離平衡態是相對於平衡態和近平衡態而言的。遠離平衡態是指係統內可測的物理性質極不均勻的狀態,這時其熱力學行為與用最小熵產生原理所預言的行為相比,可能頗為不同,甚至完全相反。正如普利高津(1998)所言,遠離平衡態係統不遵守對自由能或熵產生函數有效的最小熵產生原理,在某個臨界距離係統進入分岔點,並在隨機漲落的“選擇”下突變產生新的時空有序的高級結構,即耗散結構。隨著控製參量 λ的增大,推動係統愈加遠離平衡態,導致係統從穩定態進入不穩定態,在臨界值 λc產生分岔點。
6.1.2 平衡結構和非平衡結構
對應於平衡態和非平衡態,自然界在演化過程中形成的有序結構分為平衡結構和非平衡結構兩種類型。
當大量分子(原子)構成的係統在一定溫度、壓力和外場下,分子積聚為一種穩定結構時,稱其為物質的一個物相,簡稱相。係統由一種相到另一種相的轉變,稱為相變。常見的有物質固液氣三態的轉變。由於在這些相變過程前後係統的狀態都是處於平衡態的,因此稱這類相變為平衡相變。平衡相變使係統的內部結構和物理性質突變,如從分子做無規則運動的氣態相轉變為按一定規則排列的固態相,是從沒有一定結構的無序態到具有一定結構的有序態的轉變。伴隨結構的變化,物理性質也有相應的變化。如鐵磁物質處於鐵磁態時有吸鐵性,變為順磁態就失去吸鐵性。這類相變生成的有序結構稱為平衡結構。一方麵,平衡結構形成須在一定的外界環境條件下進行,不滿足一定的條件不會發生平衡相變,如特定溫度條件下才能發生固液相變。另一方麵,一旦相變發生和有序結構形成,則不再需要係統與環境之間的物質、能量交換。係統的平衡結構可以獨立於環境而長時間地保持下來。這種平衡結構是在分子水平上定義的有序結構,靠分子間相互作用來維持,對時間變換保持不變性,不可能自我發展和演化,是一種靜態的、“僵死”結構。