用耗散结构理论看可持续发展
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[摘要]从耗散结构理论的角度，分析社会经济发展需要大量的负熵流。而当今世界能源短缺，负熵流不断减少的情况，为了人类可持续发展，只能依靠科学技术在社会经济发展中所起的作用。
[关键词]耗散结构理论 可持续发展 科学技术
1.可持续发展的科学内涵。1987年，世界环境与发展委员会(WCED)在题为《我们共同的未来》的报告中。对“可持续发展”战略作了比较系统的阐述。报告指出：“可持续发展就是既满足当代人的需要，又不对后代满足其需要的能力构成危害的发展。”
“可持续发展”包括两层含义：“可持续”和“发展”。持续性的发展需要大量的能源，能源消耗产生环境污染，所以二者在概念上是统一的，但在现实资源或环境范畴上又是对立的。持续的发展要保证社会不断进步，涉及当代，也涉及可以预见的未来。可持续发展应以良好的生态环境为基础，均衡的经济发展为条件，科学技术的进步为动力，综合的社会效益为目标。
2.耗散结构理论。普利高津指出，一个远离平衡的开放体系(不管是力学的、物理的，还是化学的、生物的)，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交换能量和分子，会自动出现一种自组织现象，组成系统的各子系统会形成一种互相协调的作用，从而可能从原来的无序状态变为一种时间、空间和功能的有序结构，这种非平衡状态下的新的有序结构就是耗散结构。
在耗散结构理论中，普利高津为了说明系统是如何与外界相互作用从无序转变为有序的，因而引入了熵的概念，熵在热力学中是作为系统有序程度大小的量度，熵越大，系统的无序程度越高，热力学第二定律指出，对于一个非平衡的孤立系统，它的熵总是自发地趋于极大，最终达到一个具有最大熵值的平衡态。
熵变化dS出两项构成：第一项dse是通过系统边界的熵的传输，第二项dsi是系统内的熵产，因此有关系式：
ds=dse+dsi (1)
所以，由式(1)不难看出：开放系统的熵不仅可以增加而且亦可减小，有了一定的负熵流后，才会有负熵产生。这意味着只要给系统以足够的负熵流，系统将维持有序而不趋向更混乱；如果继续增大负熵流则系统的熵变dS还会小于零，即产生负熵。负熵是作为系统有序度的一种量度，其物理含义是：负熵增加，意味着事物向着有序的方向发展，是进化的标志。
普里高津提出的耗散结构，是研究系统有序化问题的重要理论，它不仅在自然科学中得到广泛的应用，而且也被运用于社会科学，特别是经济学的研究。对于地球这个系统，它是一个开发的系统，与太阳和其它星系无时不在地进行能量交换。为了维持现在的有序结构或者发展成为更为有序的结构，需要大量的负熵流，这些负熵流一部分来自太阳能和其它星系，来自其它星系的能量很少，可以忽略，以后只提太阳能；另一部分自来地球自己，就我们现在的认识水平，这部分能量是地球千百万年储存的化石能源，像煤、石油、天然气等。还有核能和地热能。
2.可持续发展与自然资源的关系
2.1 地球上可用的自然能源。按文献提供的资料，地球大气层上界接收到的太阳辐射功率约为1.73×1017W，此能量的30％左右以原来的波长(短波)反射回去，约有47％的太阳辐射能被大气层和地表而所吸收，使其温度升高，然后以长波辐射的形式重新辐射回宇宙空间。只有剩下的23％的太阳辐射能达到地球表面，成为风、气流和水波的原动力，形成气候，并造成水文循环。只有总量的0.02％(4×1013W)的能量通过植物和其他的“生产者”机体中的光合作用进入生物系统。另外还有一小部分作为化学能储存在植物和动物的机体内，在有利的地理条件下经过数百万年转变成煤、天然气、矿物油等，构成石油等矿物燃料的储备。因此，不难算出人类赖以发展经济所需要的能源有多少，以现在的开采速度，煤、石油、天然气等自然资源能开采多长时间。
2.2 自然资源利用与热力学定律的关系。地球是一个开放的自然系统，在其内部的物质运动和转换都要受到热力学定律的制约。植物和其他的“生产者”机体吸收太阳能，通过光合作用进入生物系统，把光能转变为化学能。这些化学能量的大小，依靠地球上的生物系统的大小和种类。人类可以通过大量种植植物等实现这一过程，当然也可以通过砍伐植物等减少这一过程。另外地球上经过数百万年转变成煤、天然气、矿物油等自然资源，这些都是负熵流。
人类社会的发展可看作耗散结构的自组织系统，这个系统的发展依赖于持续不断的物质和能量的输出输入来维持其有序结构。输入的是负熵流dse，输出的是熵产dsi。当输入与输出相等时，系统的行为保持不变，处于相对稳定状态；社会经济维持原态；当输入大于输出时，自组织系统便自发地形成新结构，新结构的形成，社会经济向前发展：当输入小于输出时，系统的部分结构便会遭到破坏，自组织系统便会减少输出，从而进入负平衡稳定态，社会经济倒退；如果系统的输入远小于系统的输出以至使负平衡稳定态难以维继，或者输入输出停止，自组织便会死亡，其原有的物质和能量的聚集形态将消失于周围环境中，即走向与周围环境相平衡的状态，社会经济将士崩瓦解。
人类在利用自然资源创造了前所未有的现代化文明的同时，也制造了大量的污染。比如蒸汽发电过程，锅炉燃烧燃料(煤、油、或者天然气)放出热量，同时放出二氧化碳CO2、水蒸气H2O、二氧化硫SO2、氮氧化物NOx等，热量被水吸收，锅炉中水被加热变成水蒸气，水蒸气继续加热成过热蒸汽，过热蒸汽推动汽轮机做功，将热能转变为动能(电能)。我们看到在利用能源的同时，电是排放废物产生废热的过程。发电用于工业化大生产的各个方面。在工业化时代之前，社会发展缓慢，资源相对丰富，较小的污染，对社会发展影响较少。而现在高度的工业化社会，大量废物对环境极大的危害，比如二氧化碳CO2在大气层内是产生温室效应的气体之一。二氧化硫SO2、氮氧化物NOx的火量排放形成酸雨，严重的危害着自然资源，造成现在看到的环境污染。而环境治理需要大量的人力物力，需要消耗大量的资源。为了可持续性发展，在自然资源这些负熵流逐渐减少的情况下，势必要减少环境污染和一些消耗这些带来的熵产。
3.保持可持续发展的措施。
3.1 依靠科学技术的进步减少污染。为了能够长期实现可持续发展，人们必须想方设法提高能源的利用率，发展新技术提高可再生资源的利用。提高能源的利用率，要利用的能源总量不变。通过减少利用过程中的不必要的浪费，从而能源转换的最大效率。科学进步的历史说明，每次遇到能源危机，都是通过科学技术的进步解决的。现在面临的问题比过去更困难，如果说以往的技术进步建立在能源利用效率提高的层而，现在可改造的技术越来越少了，这样也对科学工作者提出了巨大的挑战，现在的任务是找到不可再生资源的特代能源，或者提高低能质资源的利用率。比如太阳能的利用技术，太阳能具有很多优点：储量丰富：分布普遍：无污染等。缺点就是能流密度低。随季节、气候、昼夜的变化而变化等。
3.2 废弃物的可再生性和可处置性。减少排放，对排放的物质和高熵能源再利用，以降低对环境的影响。现在人们采取很多的措施，像采用循环经济发展模式。比如：熔融还原炼铁新工艺。炼铁需要大量的焦炭提取铁水中的氧，焦炭被氧化变成一氧化碳CO，若一氧化碳CO直接排放到火气中，造成环境污染。可利用化工过程将之转化为甲醇或二甲醚清洁燃料，可使能源利用效率提高，产品能耗下降，吨钢成本下降。这是提高资源利用效率，减轻环境污染的可行途径。
应该看到，一方面随着中国工业化和城市步伐的加快，资源消耗与环境污染呈现快速增长的态势，资源与环境已日渐成为制约中国现阶段经济社会发展的瓶颈。
为了缩短与发达国家的差距，我国改革开发，搞活经济，是否照搬发达国家所走的道路呢?我们已经看到，煤、石油天然气等这些烧掉不能再生能源时代的迟早要结束，这注定要导致工业时代的结束，而以此为基础的全部经济结构将分崩瓦解，不认识到这一点，即使建立起大规模的工业基础结构，到时也会发现已无足够的能源来推动经济的发展了。世界必将进入能源、资源流动降低到最低限度的时代。对依赖大规模生产，非再生资源高度集中，工业化生产高度集中，抵御刹车的巨大惯性将是极其痛苦的。而我们面临着一个转换的文化，使之能承载现代文明的艰巨使命，必须把这作为一种自觉的选择，只有完成这一使命，才会在未来超前于时代的发展。
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