第22章 1 远离平衡态的涵义和作用

6.1.1 系统的稳定态

所谓系统的状态是指系统的某种特性在某一时刻所处的情况；它由描述系统性质的一组变量表示，变量随时间的变化表示了系统状态随时间变化的情况。例如，对于热力学系统，可用温度、压强等宏观参量描述系统的状态；经济系统可用国内生产总值、财政收入等描述。自组织理论中的平衡概念与生态平衡、经济平衡等的“平衡”含义是不同的。在自组织理论中，平衡态是指孤立系统在相当长的时间以后形成的一种宏观静止状态，系统不随时间变化，与外界没有联系，整个系统呈现出均匀、单一的特点，是一种无序的状态（姜璐，时龙，1996）。非平衡则相反。由此，根据系统的这种内部特性差异，以及状态的距平衡态的动态特性，系统又可分为平衡态和非平衡态两种稳定态。普利高津（1998）指出，系统“距平衡态的距离就像平衡热力学中的温度，它成了描述自然的一个基本参量”。

平衡态时，系统各处可测的宏观物理性质均匀，内部没有宏观不可逆过程发生。此时，描述状态的宏观参量不再随时间变化，系统内部不存在宏观流动如热流、粒子流等。对于热力学系统，平衡态遵守热力学第一定律：

dE=dQ-pdV

即系统内能的增量等于系统所吸收的热量减去系统对外所做的功；遵守热力学第二定律：

dS/dt≥0

即系统的自发运动总是向着熵增加的方向；和波尔兹曼有序性原理：

即温度为 T的系统中内能为 Ei 的子系统的比率为 Pi（张本祥，孙博文，1997）。

非平衡态则相反。根据差异程度不同，又将非平衡态划分为近平衡态和远离平衡态两种。而且，对于不同的系统，例如不同的生物系统、城市系统、高新技术企业集群，系统自组织的近平衡态和远离平衡态的临界值是不同的，这体现了系统“生长发育”的个性化要求和特征。

近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区，它遵守昂萨格（Onsager）倒易关系和最小熵产生原理。前者可表述为：Lij=Lj i，即只要和不可逆过程 i相应的流 Ji受到不可逆过程 j的力 Xj 的影响，那么，流 Jj 也会通过相等的系数 Lij受到力 Xj 的影响。后者意味着，当给定的边界条件阻止系统达到热力学平衡态（即零熵产生）时，系统就落入最小耗散（即最小熵产生）的态（张本祥，孙博文，1997）。

远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态，这时其热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比，可能颇为不同，甚至完全相反。正如普利高津（1998）所言，远离平衡态系统不遵守对自由能或熵产生函数有效的最小熵产生原理，在某个临界距离系统进入分岔点，并在随机涨落的“选择”下突变产生新的时空有序的高级结构，即耗散结构。随着控制参量 λ的增大，推动系统愈加远离平衡态，导致系统从稳定态进入不稳定态，在临界值 λc产生分岔点。

6.1.2 平衡结构和非平衡结构

对应于平衡态和非平衡态，自然界在演化过程中形成的有序结构分为平衡结构和非平衡结构两种类型。

当大量分子（原子）构成的系统在一定温度、压力和外场下，分子积聚为一种稳定结构时，称其为物质的一个物相，简称相。系统由一种相到另一种相的转变，称为相变。常见的有物质固液气三态的转变。由于在这些相变过程前后系统的状态都是处于平衡态的，因此称这类相变为平衡相变。平衡相变使系统的内部结构和物理性质突变，如从分子做无规则运动的气态相转变为按一定规则排列的固态相，是从没有一定结构的无序态到具有一定结构的有序态的转变。伴随结构的变化，物理性质也有相应的变化。如铁磁物质处于铁磁态时有吸铁性，变为顺磁态就失去吸铁性。这类相变生成的有序结构称为平衡结构。一方面，平衡结构形成须在一定的外界环境条件下进行，不满足一定的条件不会发生平衡相变，如特定温度条件下才能发生固液相变。另一方面，一旦相变发生和有序结构形成，则不再需要系统与环境之间的物质、能量交换。系统的平衡结构可以独立于环境而长时间地保持下来。这种平衡结构是在分子水平上定义的有序结构，靠分子间相互作用来维持，对时间变换保持不变性，不可能自我发展和演化，是一种静态的、“僵死”结构。

但是，自然界演化过程中形成的有序结构并非都是平衡结构，还广泛存在着具有不同特点的另外一类有序结构，即非平衡有序结构。生物机体、城市系统、经济系统都是典型的例子。这种系统结构总是处在一种非平衡定态，其形成和演化全过程都必须不断与环境进行物质、能量、信息的交换，系统与环境高度相关。如果把系统从环境中孤立起来，则其结构立刻就会瓦解，功能随着消失。并且这种有序结构往往作为一种过程而展开，通常表现为一种空间有序、时间有序或功能有序的“活”的结构，时间具有单向性、不对称性和不可逆性的特点。协同学、耗散结构理论对这种非平衡有序结构和非平衡相变的机制和条件进行了研究。

6.1.3 高新技术企业集群与非平衡经济系统

从以上讨论可知，开放系统有三种稳定存在的方式，一是平衡态，二是平衡态附近的非平衡定态，三是远离平衡态的非平衡定态。开放系统的这三种状态都与系统的稳定性有关（包括原有稳定、经过非稳定回复到原有稳定或形成新的稳定）。系统处在平衡态时能够自动稳定；系统处在近平衡定态时，仍然是渐近稳定的状态，当系统受到外界扰动和内部涨落的影响而偏离定态后，随着时间的推移仍将回到原有的稳定状态。这就是说，当系统处于平衡和近平衡时，都能自动回到或处于原有的稳定状态，不可能产生新的有序结构和新的自组织能力。但是，当系统通过外界推动和内部作用逐渐远离平衡态的时候，系统随时间变化可以出现稳定、不稳定和临界稳定三种状况。普利高津（1998）指出“在不稳定可能存在的情形，我们必须确定一个阈值，即与平衡态的距离，在该阈值上涨落可能引出新的状态，不同于作为平衡态或近平衡态系统之特征的‘正常’稳定状态”。这意味着，当系统越过临界点进入不稳定态后，微小的涨落和扰动就可以使系统由不稳定态转化到新的稳定状态，形成有序度高的耗散结构。

由于人的参与和能动作用，现实的经济系统总是对平衡态产生一定程度的偏离，即经济系统是非平衡的，不可能处于绝对静止、孤立和均匀的平衡态。但在不同的条件和机制下，经济系统仍可以分为近平衡态和远离平衡态两种。例如，改革开放前，我国一直实行高度集中的计划经济体制，平均主义和单一的所有制结构使国民经济系统长期处于处处相对均匀的低水平有序状态，是一种接近平衡态的经济系统。实行改革开放政策后，我国经济体制经历了计划经济为主、市场调节为辅的，以公有制为基础的有计划的社会主义商品经济等一系列变化，经济系统外界联系和开放性增强，系统内部出现分化，出现更强的多样性和差异性，逐步摆脱传统模式，对原有近平衡态产生较大的偏离。随着改革深化，加入 WTO和融入经济全球化生态圈，经济系统已经远离计划经济体制，即经济系统远离了平衡态。在适当的时间和条件下，经济系统性质将发生突变，成为一种开放、有序和功能优化系统。从自组织理论看，这就意味着我们所追求的建立健全社会主义市场经济体系目标的实现。