自然辩证法 第二讲：系统论的自然观.ppt

系统论的自然观系统论史前史亚里士多德的目的论亚里士多德的目的论人是机器基里柯基里柯:一条街道的忧郁和神秘一条街道的忧郁和神秘系统论一般发展史系统论一般发展史 控制论维纳维纳(N.wiener,1894-1964)美国数学家美国数学家 19431943年，维纳写了年，维纳写了行为、目的行为、目的和目的论和目的论 1949 1949年出版年出版控制论控制论 意义意义 批判了牛顿的机械决定论，从批判了牛顿的机械决定论，从控制论的角度出发，肯定了概率统控制论的角度出发，肯定了概率统计观对于现代科学方法论的意义，计观对于现代科学方法论的意义，给予偶然性以应有的地位。给予偶然性以应有的地位。英国生物学家艾斯比（英国生物学家艾斯比（W.R.AshbyW.R.Ashby）的的“生物控制论生物控制论”大脑设计大脑设计（19541954）控制论导论控制论导论（19561956）对著名的黑箱方法作了深）对著名的黑箱方法作了深入的探讨。入的探讨。钱学森的钱学森的工程控制论工程控制论（英文版（英文版19541954）信息论信息论 申农（申农（C.E.Shannon,1916-C.E.Shannon,1916-）通讯的数量理论通讯的数量理论（19481948）一般系统论一般系统论贝塔郎菲贝塔郎菲(L.V.Bertalanffy,1901-(L.V.Bertalanffy,1901-1971)1971)奥地利生物学家奥地利生物学家一般系统论：基础、发展和应用一般系统论：基础、发展和应用（19681968）耗散结构理论耗散结构理论普利高津（普利高津（I.Prigogine,1917-I.Prigogine,1917-）比利时物理学家比利时物理学家哈肯哈肯(Hermann Haken,1927-)(Hermann Haken,1927-)西德西德学者学者 “协同学协同学”突变论突变论托姆托姆(Rene Thom,1923-)(Rene Thom,1923-)法国数学家法国数学家 结构稳定性与形态发生学结构稳定性与形态发生学（19681968）是研究不连续现象的一）是研究不连续现象的一个新兴数学分支。个新兴数学分支。超循环理论超循环理论艾根（艾根（M.Eigen,1929-M.Eigen,1929-）德国物理）德国物理化学家化学家物质的自组织和生物大分子的进物质的自组织和生物大分子的进化化（19711971）混沌理论混沌理论洛仑兹（洛仑兹（E.LorenzE.Lorenz）美国气象学家美国气象学家What is Fractional?什么是分形学什么是分形学?分形几何揭示了复杂事物的形态都具有分形的性质。它是描述复杂自然形态及其生成的重要数学工具，为人类建构新的自然图景提供科学基础。人类在漫长的时间中探索自然人类在漫长的时间中探索自然,发现了数学能够描述自然界的某发现了数学能够描述自然界的某些规律些规律在生产生活中往往遇到空间位置相关性问题在生产生活中往往遇到空间位置相关性问题,古希腊的人们慢慢古希腊的人们慢慢的发现了几何学的发现了几何学西方国家认为分形学西方国家认为分形学(数学理论数学理论)在近代出现在近代出现,表达自相似与递归表达自相似与递归原理的一种数学模型原理的一种数学模型随着计算机发展随着计算机发展,分形学现在越来越多的用于描述随机自然现象分形学现在越来越多的用于描述随机自然现象描述自然发展规律描述自相似规律描述空间相关性描述世界分形哲学分形哲学分形学分形学几何学几何学数学数学事物并不是永远向前发展,而是从产生成消灭的一次又一次的循环事物之间存在联系,因为事物本物是同源的,内在存在一定的规律性事物的发展是随机了,任何一细节的改变会影响整个过程正面事物必定存在反面事物以之对应.空间时间存在自相似性,不等同于无限.Example递归式递归式自相似自相似(循环式循环式)随机干扰随机干扰分形特征分形特征分形特征分形特征Example天然植物的生长并不是完成随机,而是按着自相似规律递归式的生长的.生物Example显微镜观察显微镜观察下的病毒形下的病毒形态呈现也完态呈现也完美的数学模美的数学模型空间结构型空间结构,如图的病毒如图的病毒都能够通过都能够通过简单的分形简单的分形方程式得出方程式得出.生物Example美学在分形数学的创始人发现分形规律之前,建筑师已创造出很多应用了分形美学思想的宗教建筑.Example美学Example物理学宇宙存在自相似原理的有力宇宙存在自相似原理的有力例证是物理学上的很多天体例证是物理学上的很多天体运动规律运动规律,如从分子到天体如从分子到天体都遵守的万有引力定律都遵守的万有引力定律.ExampleRuleRule火火火火金金金金木木木木水水水水土土土土系统的概念 由相互作用的各个部分组成的由相互作用的各个部分组成的具有一定功能的整体具有一定功能的整体具有多元性特点具有多元性特点具有相关性特点具有相关性特点具有整体的特性和功能具有整体的特性和功能系统的基本因素系统的基本因素系统的组成系统的组成系统的结构系统的结构世界不是由物组成的而是由物及物之间的世界不是由物组成的而是由物及物之间的关系来组成的关系来组成的“世界不是物的总和，而是事态的总和。世界不是物的总和，而是事态的总和。”维特根斯坦维特根斯坦系统的结构对于元素具有相对的独立性系统的结构对于元素具有相对的独立性。系统的环境系统的环境与系统发生相互作用又不属于这个系统的与系统发生相互作用又不属于这个系统的所有事物的总和。所有事物的总和。孤立系统孤立系统 封闭系统封闭系统 开放系统开放系统系统的行为和功能系统的行为和功能行为：一个系统相对于它的环境作出的任何行为：一个系统相对于它的环境作出的任何变化。变化。功能：系统对环境的变化和作用作出响应的功能：系统对环境的变化和作用作出响应的能力。能力。系统的若干规律系统中整体与部分的关系系统中整体与部分的关系系统中整体与部分的关系系统中整体与部分的关系:1:表现出一定的加和性2:非加和性系统的突现功能 整体大于部分之和 整体小于部分之和系统的结构和功能的关系系统的结构和功能的关系功能功能=F(=F(组分、结构、环境组分、结构、环境)一定的结构决定一定的功能结构解释方法和结构模拟方法结构解释方法和结构模拟方法（仿生学）（仿生学）系统的性状功能有相对的独立性。结构与功能的关系是结构与功能的关系是“多对一多对一”的关的关系系-黑箱方法黑箱方法系统演化的不可逆性和方向性系统演化的不可逆性和方向性基本概念基本概念可逆变化：可逆变化：过程可以反转，状态可以回归，系过程可以反转，状态可以回归，系统和环境可以同时复原。统和环境可以同时复原。不可逆变化不可逆变化：过程不可反转，状态不可回归，系统和环境不可同时复原。熵熵：一个系统的熵等于该系统在一定过程中所吸一个系统的熵等于该系统在一定过程中所吸收（或耗散）的热量除以它的绝对温度。收（或耗散）的热量除以它的绝对温度。“一个系统的熵就是它的无组织程度的度量”维纳熵增加熵增加热力学第二定律：孤立系统中 dS0热量从低温物体转到高温物体而不产生其他影响是不可能的热寂说负熵负熵：是和熵反向的一种量度，即有序性的量度是和熵反向的一种量度，即有序性的量度系统的自组织系统的自组织无序和有序 对称性破缺他组织和自组织 平衡结构和非平衡结构（耗散结构）平衡结构和非平衡结构（耗散结构）耗散结构形成的条件和机理开放系统是耗散结构形成的先决条件开放系统是耗散结构形成的先决条件非平衡是耗散结构形成的力量源泉非平衡是耗散结构形成的力量源泉非线形是耗散结构形成的根本依据非线形是耗散结构形成的根本依据涨落是耗散结构形成的触发因子涨落是耗散结构形成的触发因子自然系统的演化自然系统的演化自然系统的层次结构自然系统的层次结构自然系统的层次结构自然系统的层次结构含义：含义：含义：含义：是指由若干个由组成元素经相干关系是指由若干个由组成元素经相干关系构成的系统，再经新的相干关系而构成构成的系统，再经新的相干关系而构成新的系统的逐级构成结构关系新的系统的逐级构成结构关系。从宇宙大爆炸到人类诞生从宏观到微观宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的宇宙的实际年龄为137亿年银河系的诞生太阳系的形成地球形成与地壳运动层次结构的主要特点层次结构的主要特点 低层次系统对高层次系统有构成关系低层次系统对高层次系统有构成关系同一层次的系统间存在着相干关系同一层次的系统间存在着相干关系自然界物质系统的基本层次自然界物质系统的基本层次自然界形成层次结构的论证自然界形成层次结构的论证物质系统层次结构的基本规律物质系统层次结构的基本规律 特定的物质层次结构与特定的能量状特定的物质层次结构与特定的能量状态相适应的规律态相适应的规律特定层次系统的尺度与结合能特定层次系统的尺度与结合能成反比的规律成反比的规律尺度越小，结合能越大，结合的键力愈强。尺度越小，结合能越大，结合的键力愈强。尺度越小，结合能越大，结合的键力愈强。尺度越小，结合能越大，结合的键力愈强。风力、畜力、水力风力、畜力、水力宏观物体的能量宏观物体的能量手工业时代手工业时代 蒸汽机蒸汽机分子层次的能量分子层次的能量蒸汽机时蒸汽机时代代电机和高压输电技术电机和高压输电技术外层电子层次的能量外层电子层次的能量电器电器电子时代电子时代原子弹和可控核反应原子弹和可控核反应原子核层次的能量原子核层次的能量核时代核时代物质形态的多样性与丰度成反比规律物质层次愈高，结构功能愈多样化，层次愈高的物质系统在宇宙中丰度愈少。高层次物质系统与低层次物质系统相互关系的规律低层对高层的上向因果关系：高层次系统的结构、属性和运动形式是从底层次系统及其运动形式突变而产生出来的。还原论解释模型：还原论解释模型：用低层次学科的规律，加上这些规律在高层次事物中起作用的条件来解释说明高层次现象的逻辑模型。独特论：独特论：否认高层次系统由低层次系统产生的观点。高层次的相对独立性：高层次系统有自己的特殊的结构、规律、属性和功能，这是不能用低层次系统的结构、规律、属性和功能来解释的。高层次对低层次下向因果关高层次对低层次下向因果关系：低层次系统明显地受着系：低层次系统明显地受着它所处在的高层次系统及其它所处在的高层次系统及其规律的制约、影响和支配。规律的制约、影响和支配。