5.热力学平衡态与耗散理论

（1）基本内容：热力学平衡态是指在不受外界作用的条件下，系统能够长期保持而不会发生改变的一种热力学状态。“不受外界作用”指的是不与外界发生热传递以及不发生能量的交换。处于平衡态的热力系统，系统内各处应具有均匀一致的温度、压强等参数。系统处于热力学平衡态时需满足以下条件：一是热学平衡条件，即系统内部的温度处处相等；二是力学平衡条件，即系统内部各部分之间、系统与外界之间应达到热力学平衡；三是化学平衡条件，即在无外场作用下系统各部分的化学组成也应是处处相同的。只有在外界条件不变的情况下满足以上条件，才能处于平衡态。平衡态一般只是存在于一个孤立系统或封闭系统中，这样的系统因为不断的熵增，最后系统内不再出现能量的流动，直至趋于平静和稳定。

著名热力学奠基人鲁道夫·尤利乌斯·埃马努埃尔·克劳修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）的“宇宙热寂说”理论也是建立在把整个宇宙看作是一个大的孤立的热力学系统基础之上。克劳修斯认为宇宙在大爆炸前也就是作为一个奇点时，熵是零，大爆炸之后，熵随着时间的进展不断增加。宇宙的熵会趋向极大，最终达到热平衡状态，即宇宙每个地方的温度都相等，这样的平衡会导致宇宙最终归于平静。

有意思的是，整个生物系统和人类却在宇宙熵增的过程中出现了。达尔文的“进化论”描述的是系统从无序到有序，从无功能到有功能，从有功能到自组织，从简单到复杂，从低级到高级，这是一个有序的进化过程，在生物界和人类社会，这种进化尤为明显，于是产生了克劳修斯“宇宙热寂说”和达尔文“进化论”的矛盾，也是宇宙中进化和退化的矛盾。生物界和人类社会遵循着与物理界完全不同的两个规律，一个是进化到有序，一个是熵增至无序。耗散结构理论的创始人，比利时科学家伊里亚·普里戈金（Ilya Prigogine）弥补了这一鸿沟。

提到热力学的平衡态就不能不说说耗散结构。什么是耗散结构呢？耗散结构理论以开放系统为研究对象，它指出，一个远离平衡态的开放系统通过不断与外界交换物质和能量，在外界条件变化达到一定阈值时，可以通过系统内部的涨落作用产生自组织或突变现象，使系统从原来的无序状态自发转变为时间上、空间上或者功能上的宏观有序状态，形成新的、稳定的有序结构。自然界的生物种类极具多样性，且形态各异、功能复杂，是自然界中最富有生命力和最具神秘感的领域。普里戈金的理论认为，以人类为代表的整个生物系统具有一个共同的特征，那就是它们都是开放系统，依靠由外界不断摄取食物、水分、氧气、热量等抵抗熵增，从而在适宜的外部条件下产生自组织现象，维持机体在一定时间内、空间上、功能上的相对平衡，这也表现为一定条件下的有序。而孤立系统的熵一定会随时间增大达到极大值，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统不会出现耗散结构。

（2）耗散结构与医学：耗散结构理论与生命的产生及进化密切相关，并且用整体观研究生命现象，揭示人体内部的统一性及其与外界因素的统一性，这与中医学的“整体观”不谋而合。有生命的人体是一个不断向外界辐射电磁波的热力学系统，同时也是一个开放的、远离平衡态、非线性涨落的自组织系统，通过与外界进行物质、能量、信息交换才能形成稳定的有序结构。被人体摄入的一切能量均是人体抵抗熵增的重要基础，这是人体与自然界的统一。这一基础通过涨落触发了人体在一定时空上的有序，包括功能和结构的有序，这是人体内部的统一。中医用阴阳平衡来描述这种动态的有序。《素问·阴阳应象大论》中写到：“阴阳者，天地之道也，万物之纲纪，变化之父母，生杀之本始，神明之府也，治病必求于本。故积阳为天，积阴为地。阴静阳躁，阳生阴长，阳杀阴藏。阳化气，阴成形。”这句话的意思是人体遵循着一种平衡，这种平衡受到自然界的影响或者说与自然界是相统一的，它可以用阴阳之间的关系来进行描述。这是一种对自然界两种对立统一的能量的二分法，阳代表温热的、功能化（化气）的能量，阴代表寒凉的、结构化（成形）的能量。自然界的阴阳平衡在一定的临界值（涨落）促发了自组织现象，因而诞生了包括人在内的极具多样性的生物系统，所以自然界的生物系统都在这一规律的影响之下。人体的生理病理变化受到这一规律的影响，故强调阴阳是万物之纲纪、生杀之本始。如果人类因为自身的过度活动影响了环境，最终的效应也会通过环境的改变引起新的涨落导致人类生存结构的变化，这种变化可以通过对人类基因的影响、疾病谱的变化等体现出来。治病必求于本则是指医者应了解天地之阴阳变化及其对人体的影响，从而及时调整人体的阴阳结构，以维持在一定时间和空间上的平衡。

遵循动态平衡使人体得以呈现系统的属性。尽管人体内不同种类的细胞形态和功能有别，各组织、器官的结构也不一样，但互相之间却按照一定的规律形成系统，共同完成人体的某些生理功能。人体各系统之间以一种复杂、精密的方式进行关联，最后以完整的结构、协调的功能独立存在。以温度为例，人体各处体温有所差别，但最终整体的体温相对稳定，且机体依靠从外界不断获取能量、物质抵抗熵增，维持这种稳定。健康人体的生理温度始终恒定在35～37℃，不会随着年龄的增长而变化，这种生理温度是处于宏观的静态热平衡，但人体内部或是皮肤表面不同区域的温度会因新陈代谢的差异而存在热差异，他们之间会保持一种微观的动态热平衡，以保证整个人体的生理温度相对恒定。

人体是一个复杂的化学反应库。生命进程中，身体内部无时无刻不在发生各种化学反应，有生理的，也有病理的，过程中都会存在能量的传递或转换，这其中属熵与自由能在生命科学中最为常见。热力学第二定律中熵增加原理认为，在孤立系统的任何自发过程中，系统的熵总是增加的。熵是系统混乱度的量度，系统的混乱度越大，熵值越大。而熵只取决于体系的始态与终态，与过程无关。从宏观来看，生命过程是一个熵增的过程，始态是生命的产生，终态是生命的结束，这个过程是一个自发的、单向的不可逆过程。衰老是生命系统在不断地增加它的熵，随着生命的衰老，生命系统的混乱度增大，当熵值逐渐趋于接近极大值时，生命便进入死亡状态，这是一个不可抗拒的自然规律。这就好比中医阴阳在人体的生、长、壮、老、已过程中的动态变化，《黄帝内经》中描述健康人的阴阳状态是“阴平阳秘，精神乃治”，而人临近死亡的阴阳状态是“阴阳离决，精气乃绝”，这是中医通过阴阳的混乱程度来描述人体的健康与否。健康人的阴阳处于相对平衡状态，混乱程度最小；随着年龄的增长，阴阳之间的偏离逐渐扩大，出现阴盛阳虚，阴阳离决，混乱程度增大，人体走向衰亡。然而，综观整个自然界，万物活动都是在有序进行的，一个无序的世界最终是会被淘汰的。因此，生命的产生既是热力学的偶然现象，也是系统为了维持暂时的热力学平衡，必然的自组织结果。从低等生物到高等生物，从单一到多样性，都意味着事物的有序发展是一个熵减的方向。与孤立系统向熵增大的方向恰好相反，地球复杂的生命系统各自有着时间长短不一的动态平衡，成就了生物的多样性，这些生命体系呈现为“耗散结构”，也就是非平衡热力系统，通过与外界进行物质、能量交换获得负熵，以抵消系统内不断增长的正熵［3］，从而使系统内部的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的状态。这也正是生命的意义：无论长短，皆因努力而存在。