第二章系统自然观第二三节.ppt

第一篇第一篇 辩证唯物主义自然观辩证唯物主义自然观第一篇 辩证唯物主义自然观n n第二章 辩证唯物主义自然观的新发展系统自然观第二节 自然界的系统存在方式n n一、系统是自然界物质存在的普遍形式一、系统是自然界物质存在的普遍形式一、系统是自然界物质存在的普遍形式一、系统是自然界物质存在的普遍形式n n1 1 1 1、什么是系统？、什么是系统？、什么是系统？、什么是系统？n n所谓所谓所谓所谓“系统系统系统系统”是由若干相互联系、相互作用的要素组是由若干相互联系、相互作用的要素组是由若干相互联系、相互作用的要素组是由若干相互联系、相互作用的要素组成的具有特定结构与功能的有机整体。成的具有特定结构与功能的有机整体。成的具有特定结构与功能的有机整体。成的具有特定结构与功能的有机整体。n系统的特点是：系统的特点是：第一第一,系统是由若干系统是由若干要素要素组成的；组成的；第二第二,各要素之间、要素与系统整体之间的相互联系、各要素之间、要素与系统整体之间的相互联系、相互作用，形成了特定的相互作用，形成了特定的结构结构；第三第三,要素彼此之间联系成为一个统一的有机要素彼此之间联系成为一个统一的有机整体整体;第四第四,系统作为一个整体对环境表现出特定的系统作为一个整体对环境表现出特定的功能功能.第二节 自然界的系统存在方式n一、系统是自然界物质存在一、系统是自然界物质存在的普遍形式的普遍形式n n2 2、系统是自然界物质存在的普系统是自然界物质存在的普遍形式遍形式 n n自然界是一个大系统n n物质客体自成系统n n物质客体互成系统n n 系统是自然界的普遍存在形式系统是自然界的普遍存在形式自然界大系统自然界大系统总星系系统总星系系统超星系团超星系团星系团星系团银河系银河系太阳系太阳系地球地球群体群体生态系统生态系统群体群体个体个体器官器官自然界是无穷嵌套的系统，形成立体网络结构自然界是无穷嵌套的系统，形成立体网络结构非生命世界（无机界）基本粒子-原子-分子-宏观物质-小行星-行星-恒星-星系-星系团-超星系团-总星系 生命世界生物大分子-细胞-组织-器官-系统-生物个体-种群-生物群落-生态系统-生物圈思考问题：是否存在事物不是系统？是否存在不可分元素？是否存在堆积物？元素之间没有建立相互关系的多元集 第二节 自然界的系统存在方式n n二、自然界物质系统的基本特点二、自然界物质系统的基本特点二、自然界物质系统的基本特点二、自然界物质系统的基本特点二、二、自然系统的基本特点自然系统的基本特点自然物质系统自然物质系统 能量能量要素要素 信息信息要素要素物质物质要素要素1 1、开放性：等结果性，不同的初始条件可能达到相同的最终状态。、开放性：等结果性，不同的初始条件可能达到相同的最终状态。外部特征：交换；外部特征：交换；内部特征：新陈代谢内部特征：新陈代谢2 2、动态性：运动、发展、变化；进化与退化、动态性：运动、发展、变化；进化与退化3 3、整体性：整体大于部分之和、整体性：整体大于部分之和4 4、层次性：纵向层次、平行层次、立体网络层次、层次性：纵向层次、平行层次、立体网络层次动态性是指任何自然系统都有一个从孕育、产生、发展、成熟到衰退、消亡的过程，即运动、发展、变化过程。系统不是一个孤立的静态系统，而是表现为随机涨落的永恒运动的动态系统。系统的变化发展有两个方向，即进化和退化。什么是涨落：刻划系统整体状态宏观瞬时值对平均值的起伏。进一步解释为：通常，由大量相互作用的子系统所构成的系统，经常不断地受到来自系统内部和外部环境的扰动，扰动就会使得系统在某个时刻、某个局部的空间范围内产生对宏观状态的微小偏离，这种微小的偏离就称为涨落。是刻划系统运动状态的一个参量。自然系统涨落图：平均值临界值允许误差宏观瞬时值涨落系统变化的方向：进化和退化热寂说：“热总是从高温物体传到低温物体使得存在的温度差趋于消失，将逐渐地呈现越来越均匀的分布，而且在以太中的辐射热和物体所含的热之间也将出现一定的平衡”“宇宙的熵趋向于极大。宇宙越是接近于这个熵是极大的极限状态，进一步变化的能力就越小；如果最后完全达到了这个状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态。”非平衡态系统自组织理论则认为，开放系统由于与外界有物质、能量、信息的交换，从外界输入负熵流，在一定条件下可以从无序走向有序，朝着进化的方向发展 系统整体性：是指系统各要素通过相干性耦合作用而构成具有新性质、新功能、新规律的机整体。一方面，系统具有各组成要素没有的新性质、新功能、新规律；另一发面，系统中的组成要素自身的性质、功能和规律也不同于他们在孤立状态下的性质、功能和规律。自然系统的层次性：是指一方面系统由一定的要素组成，这些要素是由更小一层次的要素组成的子系统，另一方面系统自身又是更大系统的组成要素。系统层次性分为：纵向层次：揭示系统与系统之间纵向或垂直的有序关系。平行层次：同一级的复杂系统，横向上分为若干相互联系、相互制约又相互独立的层次。交叉层次：一个高度复杂的自然系统以纵向和横向层次为基础，构成纵横交错的立体网络系统，形成交叉层次。系统的层次性使得自然界形成了一个无穷套嵌的立体网络结构的图景。系统的层次结构具有以下特点：第一，低层系统对高层系统具有构成性关系；第二，同一层次系统间存在相干关系。第三，层级的结合度呈递减趋势。第四，上下层之间具有双向因果链。第三节 自然界的演化n n一、自然演化的不可逆性（自然演化的一、自然演化的不可逆性（自然演化的一、自然演化的不可逆性（自然演化的一、自然演化的不可逆性（自然演化的历史性）历史性）历史性）历史性）n n1 1、什么是演化？、什么是演化？n n“进化进化”是指事物的上升的、从无序到有序、从是指事物的上升的、从无序到有序、从低序到高序的不可逆过程或复杂性和多样性的低序到高序的不可逆过程或复杂性和多样性的增长。增长。n n“演化演化”则比则比“进化进化”具有更广的涵义。除了指具有更广的涵义。除了指“进化进化”之外，还包括了事物的下降的、从有序之外，还包括了事物的下降的、从有序到无序、从高序到低序的过程即到无序、从高序到低序的过程即“退化退化”和从宏和从宏观有序态到远离平衡的观有序态到远离平衡的“混沌态混沌态”以及不同远离以及不同远离平衡态的平衡态的“混沌态混沌态”之间的更替。之间的更替。第三节 自然界的演化n n一、自然演化的不可逆性（自然演化的一、自然演化的不可逆性（自然演化的一、自然演化的不可逆性（自然演化的一、自然演化的不可逆性（自然演化的历史性）历史性）历史性）历史性）n n2 2 2 2、可逆与不可逆可逆与不可逆可逆与不可逆可逆与不可逆 n n可逆和不可逆是自然演化过程中两种相互对应可逆和不可逆是自然演化过程中两种相互对应的状态。的状态。n n如果系统从某一状态转变到另一状态后，能够如果系统从某一状态转变到另一状态后，能够再恢复到原来的状态，并且同时使系统的环境再恢复到原来的状态，并且同时使系统的环境也恢复到原状，这样的过程就是可逆过程。否也恢复到原状，这样的过程就是可逆过程。否则就是不可逆过程。则就是不可逆过程。第三节 自然界的演化n n一、自然演化的不可逆性（自然演化的一、自然演化的不可逆性（自然演化的一、自然演化的不可逆性（自然演化的一、自然演化的不可逆性（自然演化的历史性）历史性）历史性）历史性）n n3 3、时间箭头（时间之矢）、时间箭头（时间之矢）n n可逆与不可逆实际上反映了自然演化的可逆与不可逆实际上反映了自然演化的状态对时间的关系。经验告诉我们，时状态对时间的关系。经验告诉我们，时间永远朝一个方向前进，这就是时间箭间永远朝一个方向前进，这就是时间箭头。头。n n霍金在霍金在时间简史时间简史中提到了三种时间中提到了三种时间箭头或叫时间之矢。箭头或叫时间之矢。在自然科学中，事物的规律性有两种描述关系：如在存在关系（如经典力学）中，牛顿力学方程（牛顿第二定律的数学表达式）可写作：在这个表达式中，时间是描述运动的一个外在参量，数学模型对时间反演对称。表示一种可逆关系。如在演化关系（热力学）中，热传导方程：在这里，时间是描述运动的一种内在参量，数学模型对时间反演不对称，这是不可逆关系。第三节 自然界的演化n n一、自然演化的不可逆性（自然演化的一、自然演化的不可逆性（自然演化的一、自然演化的不可逆性（自然演化的一、自然演化的不可逆性（自然演化的历史性）历史性）历史性）历史性）n n4 4、现实的自然过程是不可逆的、现实的自然过程是不可逆的n n 自然界中实际发生的过程都是不可逆的、有自然界中实际发生的过程都是不可逆的、有时间箭头的。自然界真实的图景是：不可逆过时间箭头的。自然界真实的图景是：不可逆过程是无条件的、绝对的；可逆过程是相对的，程是无条件的、绝对的；可逆过程是相对的，是一种理想过程。经典力学、电动力学、量子是一种理想过程。经典力学、电动力学、量子力学等用可逆的物理方程描述客观世界，只是力学等用可逆的物理方程描述客观世界，只是一种相对的、有条件的、简化了的认识，是忽一种相对的、有条件的、简化了的认识，是忽略掉了不可逆性的真实过程的理论近似。略掉了不可逆性的真实过程的理论近似。第三节 自然界的演化n n二、自然界演化的方向性二、自然界演化的方向性二、自然界演化的方向性二、自然界演化的方向性n n自然界的任何物质系统都要经历产生、自然界的任何物质系统都要经历产生、成长、衰落、毁灭的历史过程。所有这成长、衰落、毁灭的历史过程。所有这些演化均可以归为两大类：进化分支与些演化均可以归为两大类：进化分支与退化分支。退化分支。n n1、序、有序和无序 序：在现代科学中，广义的序是指时空结构的规则性，既可以用来描述自然系统的状态，又可以用来反映自然系统演化的过程。有序：如果某一自然系统内部各要素的空间位置呈有规则的排列，系统的变化过程有明显周期性，系统的行为表现为一定的关联性等，则称该系统具有一定的序。无序：系统内部各组成要素之间混乱而无规则的组合及系统变化的无规则性称为无序。有序度（序参量）：系统的有序与无序之间辩证统一的程度，称为有序度。如果系统向有序化发展，我们就说它的有序度越来越高，序参量越大；反之，如果系统向无序化发展，我们就说它的有序度越来越低，序参量越小。“熵”：刻画系统有序程度变化的参量除了序参量外，还有“熵”。“熵”表示系统的无序程度或系统混乱度的量度。一个系统的熵越大，表明它的无序程度越高。信息：是系统有序度的量度。信息量越大，系统越有序，组织程度越复杂。对称性：是指在一定变换下的不变性。最高的对称性就是在一切变换下都不变的状态。破缺：与对称相反，是指在一定变换下所表现的可变性，或对称性的降低。它实际上是对应着系统的有序状态。自然界的有序化是对称性破缺的结果，正是由于对称性破缺，才使系统向有序化、组织化和复杂化演化。自然界的进化就是一个不断发生对称性破缺的过程。第三节 自然界的演化n n二、自然演化的方向性二、自然演化的方向性二、自然演化的方向性二、自然演化的方向性n n2 2、进化分支和退化分支、进化分支和退化分支1）退化分支所谓退化，是指物质系统由有序向无序、由高序向低序的演化过程和趋势。退化的理论根据就是热力学第二定律。这一定律指出，在一个孤立系统中，任何物理过程或化学过程总是导致熵的增加，系统最终达到一个具有极大熵值的平衡态，而且这种熵增过程是一个不可逆的自发过程。可见，退化过程就是熵增过程。2）进化分支进化是指物质系统由无序到有序、由低序到高序的演化过程和趋势。进化的根据则是生物进化论与自组织理论（耗散结构理论、超循环理论、协同学、突变论等）。3）进化与退化的关系第一，进化与退化相互包含。第二，进化与退化同生共存。第三，进化和退化是互相转化、互相交替。第三节 自然界的演化n n三、自然系统演化的基本方式三、自然系统演化的基本方式三、自然系统演化的基本方式三、自然系统演化的基本方式自然系统的自然系统的演化演化与与进化进化 自自然然系系统统1 1 自自然然系系统统2 2演化演化进化进化：上升的、从无序到有序、从：上升的、从无序到有序、从低序到高序的不可逆过程或复杂性和低序到高序的不可逆过程或复杂性和多样性的增长多样性的增长 。宇宙、地球、生命、人类宇宙、地球、生命、人类退化退化：下降的、从有序到无序、从：下降的、从有序到无序、从高序到低序的过程高序到低序的过程 时间之矢时间之矢不可逆性不可逆性 有有序序化化 不对称性（对称性破缺）不对称性（对称性破缺）1 1、分叉分叉 自自然然系系统统进进化化中中的的不不断断分分化化，产产生生多多种种可可能能性性和和分分支支的的演演化化形形式式。分分叉叉表表明明了了稳稳定定性性和和不不稳稳定定性性的的辩辩证证的的对对立立统统一。一。自自然然系系统统1 自然系统自然系统2（1）演化 自然系统自然系统2（2）稳定稳定不稳定不稳定稳定稳定分分叉叉进化树的分叉进化树的分叉 2 2、突现：、突现：突发性、间断性和不可预测性突发性、间断性和不可预测性对于自然系统的演化而言，突现是指自然系统中新形态、对于自然系统的演化而言，突现是指自然系统中新形态、新结构和新性质作为整体的突然出现。突现具有突发新结构和新性质作为整体的突然出现。突现具有突发性、间断性和不可预测性等特点。性、间断性和不可预测性等特点。自自然然系系统统1 1 自然系统自然系统2 2 渐变演化 自然系统自然系统1 1 突变演化 突发性突发性间断性间断性不可预测性不可预测性新情况新情况 新物种新物种第三节 自然界的演化n n四、自然演化的自组织机制（进化的条四、自然演化的自组织机制（进化的条四、自然演化的自组织机制（进化的条四、自然演化的自组织机制（进化的条件）件）件）件）n n耗散结构：一个耗散结构：一个耗散结构：一个耗散结构：一个远离平衡态的开放系统远离平衡态的开放系统（力学的、数学的、物理学的、化学的、（力学的、数学的、物理学的、化学的、生物学的、经济学的、社会学的），当生物学的、经济学的、社会学的），当系统的外部条件变化达到一定的阈值时，系统的外部条件变化达到一定的阈值时，系统就会从原来的无序状态转变为一种系统就会从原来的无序状态转变为一种在时间上、空间上、功能上的有序状态，在时间上、空间上、功能上的有序状态，这种自发形成的新的有序结构称为耗散这种自发形成的新的有序结构称为耗散结构。结构。3 3、内在随机性内在随机性 对对于于确确定定性性的的非非线线性性系系统统，即即使使没没有有外外部部的的随随机机作作用用，系系统统内部也会产生内在随机性，如量子力学。内部也会产生内在随机性，如量子力学。自自然然系系统统1 1 自然系统自然系统2 2 线性演化 自然系统自然系统1 1 非线性演化 相互作用的量相互作用的量之间没有比例之间没有比例不确定性不确定性偶然性偶然性相互作用的量相互作用的量之间有比例之间有比例确定性确定性必然性必然性自然系统自然系统1 1 自然系统自然系统2 2演演化化(1)(1)必要条件必要条件:开放性开放性 (2)(2)外部原因外部原因:远离平衡态（环境影响）远离平衡态（环境影响）(3)(3)量量的的要要求求：不不断断与与外外界界进进行行物物质质、能能量量与与信信息息的的交交换换，并达到一定的阈值。并达到一定的阈值。ds=des+dis0(4)(4)内在根据（质的要求）内在根据（质的要求）:非线性相互作用（相干作用）非线性相互作用（相干作用）(5)(5)直直接接诱诱因因：内内部部涨涨落落当当系系统统远远离离平平衡衡态态时时，某某种种微微小小的的涨涨落落就就会会使使系系统统的的状状态态发发生生微微小小变变化化，这这种种变变化化通通过过非非线线性性的的反反馈馈机机制制被被放放大大，从从而而导导致致新新的的有有序序状状态的产生。态的产生。即即“生序原理生序原理”。自组织自组织是开放性的自然界物质系统自发地或自主地有是开放性的自然界物质系统自发地或自主地有序化、组织化和系统化的过程。序化、组织化和系统化的过程。其机制在以下几方面：其机制在以下几方面：思考题：1、是否只有开放系统才能进化？2、开放系统必然会进化吗？3、按照熵增原理，地球会不会越来越无序？4、在自组织演化中，进化是非决定性的说法是否正确？