第3章自然界物质演化.ppt

这个世界唯有两样东西让我们深深这个世界唯有两样东西让我们深深震撼：一是我们头顶上璀璨的星空；震撼：一是我们头顶上璀璨的星空；二是我们内心深处的道德法则二是我们内心深处的道德法则!康德康德 第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法第三章 物质世界的演化发展第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法第一节：关于演化的有关理论 18世纪中叶以来，随着近代自然科学的发展，世纪中叶以来，随着近代自然科学的发展，关于自然界历史演化的观点开始形成。自然界的历关于自然界历史演化的观点开始形成。自然界的历史性被科学发现逐步揭示出来，成为自然界历史观史性被科学发现逐步揭示出来，成为自然界历史观产生的科学前提。产生的科学前提。最早把历史观引入对自然界研究的是康德。最早把历史观引入对自然界研究的是康德。1755年康德出版了年康德出版了宇宙发展史概论宇宙发展史概论，提，提出了关于太阳系起源的星云假说，这是天文出了关于太阳系起源的星云假说，这是天文学史上第一个比较完整的天体演化学说。学史上第一个比较完整的天体演化学说。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法 康德之后，赖尔把历史演化的观点带进了地质康德之后，赖尔把历史演化的观点带进了地质学，提出了地质渐变论。这个学说使人确信，学，提出了地质渐变论。这个学说使人确信，“不不仅整个地球，而且地球今天地表面以及生活于其上仅整个地球，而且地球今天地表面以及生活于其上的植物和动物，也都有时间上的历史。的植物和动物，也都有时间上的历史。”1859年达尔文出版了年达尔文出版了物种的起源物种的起源，从科学的，从科学的角度提出了生物进化论，揭示了整个生物界的历史角度提出了生物进化论，揭示了整个生物界的历史性。性。恩格斯在恩格斯在自然辩证法自然辩证法等著作中系统总结了当等著作中系统总结了当时自然科学的新成就，从不同角度分析了这些成就时自然科学的新成就，从不同角度分析了这些成就对自然界历史观确立的重大意义。对自然界历史观确立的重大意义。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法一、自然界演化的基本方向 1、序、无序、有序、混沌和负熵流、序、无序、有序、混沌和负熵流“序序”是描述客观事物或系统内部组成元素之间相互是描述客观事物或系统内部组成元素之间相互关系的范畴关系的范畴v“无序无序”是指客观事物或系统内各组成部分之间联是指客观事物或系统内各组成部分之间联系、组合或运动的无规则性和不确定性。系、组合或运动的无规则性和不确定性。“有序有序”指的是客观事物或系统内各组成部分之间联指的是客观事物或系统内各组成部分之间联系、组合或运动，在空间、时间、结构功能等方面系、组合或运动，在空间、时间、结构功能等方面显示出一定的顺序、规则，具有某种确定性、方向显示出一定的顺序、规则，具有某种确定性、方向性和规律性。性和规律性。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法v系统的对称性破缺状态对应着有序，自然系统的有序化是对系统的对称性破缺状态对应着有序，自然系统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、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。组织化、和复杂化演化。“混沌混沌”是系统演化的一个方向；混沌并不等于混乱，也不是是系统演化的一个方向；混沌并不等于混乱，也不是无序，是确定系统内在随机性，是看起来杂乱无章的有序状无序，是确定系统内在随机性，是看起来杂乱无章的有序状态，或说是装扮成无序的有序。是无序与有序的统一。态，或说是装扮成无序的有序。是无序与有序的统一。“熵熵”是系统科学的序的标度，熵是无规律程度的测量，因此是系统科学的序的标度，熵是无规律程度的测量，因此负熵流或信息量是系统有序性或组织性的测度。负熵流或信息量是系统有序性或组织性的测度。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法2、进化与退化的对立统一、进化与退化的对立统一进化和退化是自然界中广泛存在的两种趋势和过程。进化与退进化和退化是自然界中广泛存在的两种趋势和过程。进化与退化之间具有统一性。这种统一性主要表现在以下几方面化之间具有统一性。这种统一性主要表现在以下几方面：v进化与退化互相包含。进化与退化互相包含。以进化为主的过程往往内在地包含着退化。同样，以进化为主的过程往往内在地包含着退化。同样，以退化为主的过程也常常内在地包含着进化。生物进化具有不可逆性，以退化为主的过程也常常内在地包含着进化。生物进化具有不可逆性，灭绝的物种不可能重新出现，但是生物进化之中也有退化，一些结构和灭绝的物种不可能重新出现，但是生物进化之中也有退化，一些结构和功能的进化，同时也就意味着另一些结构和功能的退化；返祖现象的出功能的进化，同时也就意味着另一些结构和功能的退化；返祖现象的出现，也是生物进化之中的退化。现，也是生物进化之中的退化。v进化与退化同生共存。进化与退化同生共存。进化与退化常常是同时存在和同步发生的。它们进化与退化常常是同时存在和同步发生的。它们往往是一个过程的两个方面。理由在于，一个系统有序程度的提高，需往往是一个过程的两个方面。理由在于，一个系统有序程度的提高，需在以负熵流的引入为代价，这相当于系统把熵增转移到了环境之中。或在以负熵流的引入为代价，这相当于系统把熵增转移到了环境之中。或者说系统的进化是以环境中某些方面的退化为代价的。者说系统的进化是以环境中某些方面的退化为代价的。v进化与退化相互转化。进化与退化相互转化。进化过程在一定条件下会转入退化，而退化过程进化过程在一定条件下会转入退化，而退化过程在一定条件下也可以转入进化。在一定条件下也可以转入进化。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法3.演化方向的一般特点演化方向的一般特点v（1）自发性。）自发性。进化和退化都是事物的自我运动、自进化和退化都是事物的自我运动、自我否定。它们不是依据外界的指令而变化，而是在我否定。它们不是依据外界的指令而变化，而是在一定外部条件下依据自身内在的机制进行自组织或一定外部条件下依据自身内在的机制进行自组织或瓦解。瓦解。v（2）稳定性重建。稳定性重建。当原有事物出现失稳情况时，当原有事物出现失稳情况时，系统才会进入进化或退化过程，其结果是新的稳定系统才会进入进化或退化过程，其结果是新的稳定状态的确立。状态的确立。v（3）间断性。间断性。进化和退化主要是在连续性中断中进化和退化主要是在连续性中断中实现的，进化或退化的完成往往要经过突变。当然，实现的，进化或退化的完成往往要经过突变。当然，间断性并不意味着没有任何中间阶段，但这些中间间断性并不意味着没有任何中间阶段，但这些中间阶段的稳定性没有保证。阶段的稳定性没有保证。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法二、自然界演化的自组织机制二、自然界演化的自组织机制 1、自组织、自组织 自组织是指没有外界的特定干预，在开放的背景自组织是指没有外界的特定干预，在开放的背景下，外部提供一定的条件下，系统的要素按彼此的下，外部提供一定的条件下，系统的要素按彼此的相干性、协同性或某种默契，自发地形成一定结构相干性、协同性或某种默契，自发地形成一定结构和功能的过程和现象。和功能的过程和现象。自组织一般包含着三类过程：自组织一般包含着三类过程：由非组织到组织的过程演化；由非组织到组织的过程演化；由组织程度低到组织程度高的过程演化；由组织程度低到组织程度高的过程演化；在相同组织层次上由简单到复杂的过程演化。在相同组织层次上由简单到复杂的过程演化。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法2、自组织理论：、自组织理论：系统进化的机制和条件系统进化的机制和条件 自组织理论是一个学科群，其中最具代自组织理论是一个学科群，其中最具代表性的有耗散结构理论、协同学、超循环理表性的有耗散结构理论、协同学、超循环理论论 突变论。各种自组织理论尽管背景和对突变论。各种自组织理论尽管背景和对象有很大的差别，但都试图解决一个普遍性象有很大的差别，但都试图解决一个普遍性的问题，即从无序走向有序的条件和机制问的问题，即从无序走向有序的条件和机制问题，并取得了不同程度的成功。这些理论从题，并取得了不同程度的成功。这些理论从不同侧面揭示了在远离平衡条件下的开放系不同侧面揭示了在远离平衡条件下的开放系统形成有序结构的可能性。统形成有序结构的可能性。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法系系统统由由高高序序到到低低序序、由由有有序序到到无无序序的的退退化化是是自自发发进进行行的的，而而由由无无序序过过渡渡到到有有序序、由由低低序序到到高高序序的的进进化化则则需需要要一一个个组组织织过过程程。如如果果系系统统在在获获得得空空间间的的、时时间间的的或或功功能能的的结结构构过过程程中中，不不存存在在外外界界的的特特定定干干预预，是是自自发发进进行行的的，称为自组织。称为自组织。自然界的自组织自然界的自组织第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法自组织的过程必须在开放之中才能进行，如果没有系自组织的过程必须在开放之中才能进行，如果没有系统与外界高温、低温热库交换能量，就不会有实验室统与外界高温、低温热库交换能量，就不会有实验室条件下的条件下的“贝纳德对流花纹贝纳德对流花纹”自组织产生的条件自组织产生的条件开放系统开放系统第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法v1900年，法国的贝纳德年，法国的贝纳德(Bernard，Henri)首次发现首次发现了蜂巢状的自组织花纹。在一个透明的碟子里加入了蜂巢状的自组织花纹。在一个透明的碟子里加入一些液体，在炉子上加热，液体在竖直方向上便产一些液体，在炉子上加热，液体在竖直方向上便产生一个温度差。当液层顶部和底部之间的温度差达生一个温度差。当液层顶部和底部之间的温度差达到一个阈值后，对流开始，下层较热的液体流入上到一个阈值后，对流开始，下层较热的液体流入上面较冷的部分。这时由于浮力、热扩散、粘滞力三面较冷的部分。这时由于浮力、热扩散、粘滞力三种作用的耦合而形成液面上大范围规则的蜂巢状花种作用的耦合而形成液面上大范围规则的蜂巢状花纹（纹（“贝纳德花纹贝纳德花纹”）六边形网格。）六边形网格。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法大气中排列整齐规则的大气中排列整齐规则的云层花纹，地面上呈某云层花纹，地面上呈某种规则性曲线形的沙丘种规则性曲线形的沙丘和雪原上有规则的花纹，和雪原上有规则的花纹，如果没有系统的开放和如果没有系统的开放和负熵流，没有云层上下负熵流，没有云层上下的温差和风吹，也不会的温差和风吹，也不会形成。生命系统是典型形成。生命系统是典型的开放系统，生命体必的开放系统，生命体必须向外界环境排放代谢须向外界环境排放代谢物并从外界摄入空气，物并从外界摄入空气，水和食物才能生存，才水和食物才能生存，才能进化，难怪有人说生能进化，难怪有人说生命有机体是以负熵为食命有机体是以负熵为食的。的。开放系统开放系统第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法v根据热力学第二定律，孤立系统的熵总是自根据热力学第二定律，孤立系统的熵总是自发地增加，直到最大熵为止，其表达式为熵发地增加，直到最大熵为止，其表达式为熵增增dso。孤立系统不可能自发地减熵，使。孤立系统不可能自发地减熵，使系统通过自组织走向有序。这也就是过去科系统通过自组织走向有序。这也就是过去科学中热力学第二定律与进化论冲突的焦点所学中热力学第二定律与进化论冲突的焦点所在。开放系统的情况就不一样了。开放系统在。开放系统的情况就不一样了。开放系统熵的变化可以分作两项：熵的变化可以分作两项：v dsdIS十十deS第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法系系统统处处于于远远离离平平衡衡态态，在在较较强强的的耗耗散散中中，利利用用负负熵熵流流建建立和维持的有序结构称为耗散结构。立和维持的有序结构称为耗散结构。远离平衡态远离平衡态第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法 外外部部条条件件(控控制制参参量量)对对系系统统的的作作用用，并并超超过过一一定定临临界界点点，使使系系统统越越出出近近平平衡衡的的区区域域，到到达达远远离离平平衡衡态态，才才可可能能出出现现自自组组织织，就就类类如如当当光光泵泵能能量量强强到到使使系系统统发发生生粒粒子子数数反反转转(即即远远离离平平衡衡态态)时时，激激光光才才能能发发生生。耗耗散散结结构构理理论论的的奠奠基基人人普普里里高高津津提提出出了了“非非平平衡衡是是有有序序之源之源”的重要论断。的重要论断。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法非线性相互作用非线性相互作用在在线线性系性系统统中，系中，系统统要素的相互作用，在宏要素的相互作用，在宏观观上可以上可以综综合地看作合地看作过过程的原因程的原因产产生生过过程的程的结结果。而非果。而非线线性相性相互作用可以便互作用可以便过过程的程的结结果又影响到果又影响到过过程的原因和程的原因和过过程程本身，本身，这这就是反就是反馈馈作用。非作用。非线线性的正反性的正反馈馈作用把微小作用把微小的偏差或偶然性的的偏差或偶然性的涨涨落迅速放大，使系落迅速放大，使系统统定定态态失失稳稳而而形成新的有序形成新的有序结结构。构。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法 在在非非线线性性系系统统中中要要素素之之间间发发生生相相干干效效应应，耦耦合合或或组组台台起起来来产产生生系系统统整整体体的的新新质质。自自然然界界大大量量存存在在的的相相互互作作用用是是非非线线性性的的，线线性性作作用用其其实实只只不不过过是是非非线线性性作作用用在在一一定定条条件件下下的的近近似似。非非线线性性相相互互作作用用使使系系统统具具有有滚滚雪雪球球式式的的增增长长效效应应。在在线线性性系系统统中中，系系统统要要素素的的相相互互作作用用，在在宏宏观观上上可可以以综综合合地地看看作作过过程程的的原原因产生过程的结果。因产生过程的结果。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法开放系统处于远离平衡态并有非线性相互作用的潜开放系统处于远离平衡态并有非线性相互作用的潜在机制，有可能出现自组织现象，还不等于非线性在机制，有可能出现自组织现象，还不等于非线性作用和自组织过程现实地发生。在控制参量超过临作用和自组织过程现实地发生。在控制参量超过临界点后，系统定态虽不稳定，但如没有任何扰动是界点后，系统定态虽不稳定，但如没有任何扰动是不会离开已有状态的，系统的某种此起彼伏的被动不会离开已有状态的，系统的某种此起彼伏的被动即涨落，就是这种扰动。即涨落，就是这种扰动。涨落涨落第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法 例如自然系统的温度、压强、能量等都有例如自然系统的温度、压强、能量等都有可在微观的统计平均值的上下波动，在任何可在微观的统计平均值的上下波动，在任何实际过程中涨落总是存在的，当然它带有偶实际过程中涨落总是存在的，当然它带有偶然性，是随机出现的。在自组织有可能发生然性，是随机出现的。在自组织有可能发生上述条件下，涨落会被迅速放大，使系统离上述条件下，涨落会被迅速放大，使系统离开原有定态，形成新的有序结构。涨落是系开原有定态，形成新的有序结构。涨落是系统自组织的诱因，是发育成长为新有序结构统自组织的诱因，是发育成长为新有序结构的种子。的种子。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法自自组组织织必必须须在在一一定定条条件件下下发发生生，它它的的出出现现还还有其内在的动力机制有其内在的动力机制竞争与协同。竞争与协同。竞争泛指系统内部不同要素之间或不同竞争泛指系统内部不同要素之间或不同子系统之间，或不同系统之间，通过某种斗子系统之间，或不同系统之间，通过某种斗争争(有时可分出高低优劣，择优汰劣有时可分出高低优劣，择优汰劣)而促使而促使系统演化的活动系统演化的活动 3.3.自组织产生的内在机制和过程自组织产生的内在机制和过程第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法v协同，是系统中许多子系统的联合作用。在协同，是系统中许多子系统的联合作用。在演化过程中，系统的各个组成要素会在一定演化过程中，系统的各个组成要素会在一定条件下联接、合作、协调与同步行动，自组条件下联接、合作、协调与同步行动，自组织系统离不开协同的动力作用。例如，液体织系统离不开协同的动力作用。例如，液体分子以统一行为进行卷筒形式运动形成有序分子以统一行为进行卷筒形式运动形成有序对流某些光波与被加强的光波一齐动作形对流某些光波与被加强的光波一齐动作形成有序激光。成有序激光。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法第二节：自然界演化的图景第二节：自然界演化的图景 自然界的演化主要是由宇宙的起源、地自然界的演化主要是由宇宙的起源、地球的起源、生命的起源和人类的起源构成的。球的起源、生命的起源和人类的起源构成的。合称为合称为“四大起源四大起源”。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法宇宇 宙宙宇宙中有宇宙中有上千亿上千亿的星系，的星系，宇宙从哪里来？它的宇宙从哪里来？它的过去是怎样的呢过去是怎样的呢?平均每个星系又有平均每个星系又有上千上千亿亿的恒星和各类天体。的恒星和各类天体。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法一一.宇宙的起源和演化宇宙的起源和演化盘古开天辟地盘古开天辟地 宇宇宙宙的的传传说说第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法v天地浑沌如鸡子，盘古生其中。万八千岁，天地开辟，阳清为天，阴浊为地。盘古在其中，一日九变，神于天，圣于地。天日高一丈，地日厚一丈，盘古日长一丈，如此万八千岁。天数极高，地数极深，盘古极长。后乃有三皇。数起于一，立于三，成于五，盛于七，处于九，故天去地九万里。艺术文类聚卷-引五运历年纪 第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法宇宙的传说：宇宙的传说：女娲补天女娲补天第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法往古之时，四极废，九州裂，天不兼覆，地不周载，火滥焱而不灭，水浩洋而不息，猛兽食颛民，鸷鸟攫老弱。于是,女娲炼五色石以补苍天，断鳌足以立四极，杀黑龙以济冀州，积芦灰以止淫水。苍天补，四极正；淫水涸，冀州平；狡虫死，颛民生;背方州，抱圆天。-淮南子览冥训第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法3000年前的西周年前的西周 “盖天说盖天说”:大地不是平整方形，大地不是平整方形，而是拱形，天空如而是拱形，天空如一个斗笠，大地犹一个斗笠，大地犹如一个倒扣的盘子。如一个倒扣的盘子。中国古代中国古代 “天圆如张盖，地方如棋局天圆如张盖，地方如棋局”古代直觉猜测古代直觉猜测第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法战国尸佼在战国尸佼在尸子尸子:“四方上下曰宇，四方上下曰宇，往古来今曰宙。往古来今曰宙。”即：宇表示东南西北上即：宇表示东南西北上下六个方向，即表示空间。宙表示过去、下六个方向，即表示空间。宙表示过去、现在和将来，即表示时间。现在和将来，即表示时间。古代直觉猜测古代直觉猜测第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法东汉天文学家张衡东汉天文学家张衡浑天仪图注浑天仪图注浑天说：浑天说：古代直觉猜测古代直觉猜测“浑天如鸡子，浑天如鸡子，天体圆如弹丸，天体圆如弹丸，地如鸡中黄，地如鸡中黄，孤居于内，天孤居于内，天大而地小，天大而地小，天表里有水，天表里有水，天之包地，犹壳之包地，犹壳之裹黄。之裹黄。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法古代埃及人认为大地是漂浮在水上的；古代埃及人认为大地是漂浮在水上的；古希腊人则认为大地下有支柱支撑着；古希腊人则认为大地下有支柱支撑着；古印度想象古印度想象大地是驮在大地是驮在大象背上的大象背上的古代直觉猜测古代直觉猜测第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法公元公元2世纪，古希腊天文学家托勒密在总结前人对宇宙认识的基础上，世纪，古希腊天文学家托勒密在总结前人对宇宙认识的基础上，提出提出“地球中心说地球中心说”的宇宙模式的宇宙模式古代直觉猜测古代直觉猜测第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法在公元前在公元前4 4世世纪纪，古希腊哲学家古希腊哲学家亚亚里士多德就里士多德就已提出了已提出了“地心地心说说”，即，即认为认为地地球位于宇宙的球位于宇宙的中心。中心。古代直觉猜测古代直觉猜测第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法两千多年前，两千多年前，古希腊天文古希腊天文学家学家阿里斯阿里斯塔克塔克就已提就已提出了朴素的出了朴素的“日心日心说说”。古代直觉猜测古代直觉猜测第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法1543年，波兰天文学家哥白尼又建立了年，波兰天文学家哥白尼又建立了“太阳中心说太阳中心说”的宇宙模的宇宙模式。式。近代科学观测和推理近代科学观测和推理第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法15841584年，年，意大利人意大利人布布鲁诺鲁诺:提提出宇宙是出宇宙是无限的，无限的，恒星都是恒星都是遥遥远远的太的太阳，太阳阳，太阳只是无数只是无数个恒星中个恒星中的普通一的普通一员员近代科学观测和推理近代科学观测和推理第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法17501750年，英国天文年，英国天文学家学家赖赖特特:银银河和所有河和所有观测观测到到的恒星构成一个巨的恒星构成一个巨大的扁平状天体系大的扁平状天体系统统，由于太阳，由于太阳连连同同地球位于地球位于这这一系一系统统的内部，从不同方的内部，从不同方向向观测观测才看到了才看到了银银河和离散分布的点河和离散分布的点点繁星。点繁星。近代科学观测和推理近代科学观测和推理第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法17851785年年，英英籍籍德德国国天天文文学学家家威威廉廉赫赫歇歇耳耳建建立立了了第第一一个个银银河河系系模模型型。他他花花了了大大量量的的时时间间观观测测、计计数数天天上上的的恒恒星星，他他把把天天空空分分为为个个区区域域，用用望望远远镜镜巡巡查查，一一颗颗一一颗颗数数出出各各个个方方位位上上能能看看到到的的恒恒星星，共共计计数数了了颗颗恒恒星星，绘绘制制出出一一个个整整体体图图象象，这是第一副银河系结构图。这是第一副银河系结构图。近代科学观测和推理近代科学观测和推理第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法近代科学观测和推理近代科学观测和推理19171917年年，美美国国天天文文学学家家沙沙普普利利通通过过对对银银河河系系内内天天体体分分布布的的分分析析，确确认认太太阳阳并并不不位位于于银银河河系系的的中中心心，而而是是处处于于相相对对说说来来比比较较靠靠近近银银河河系系边边缘缘的的地地方方，从从而而纠纠正正了了赫赫歇歇耳银河系模型的错误。耳银河系模型的错误。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法现代的宇宙是由一现代的宇宙是由一次大爆炸产生。大次大爆炸产生。大爆炸后爆炸后1秒钟时，宇秒钟时，宇宙的温度为宙的温度为100亿亿K。如果再上溯到百如果再上溯到百分之一秒，温度将分之一秒，温度将上升到上升到1000亿亿K，相应的能量为相应的能量为l000万电子伏，这一时万电子伏，这一时刻以前的宇宙称为刻以前的宇宙称为极早期宇宙。极早期宇宙。现代科学宇宙观的建立现代科学宇宙观的建立第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法自自然然界界中中四四种种基基本本相相互互作作用用力力，即即引引力力、强强力力（存存在在于于质质子子、中中子子、介介子子等等强强子子）、弱弱力力和和电电磁磁力力，那那时时是是不不可可区区分分的的。随随着宇宙的膨胀和降温，真空发生一系列相变：着宇宙的膨胀和降温，真空发生一系列相变：在在大大爆爆炸炸后后10-44秒秒，发发生生超超统统一一相相变变，引引力力作作用用首首先先分分化化出出来来，但但强强、弱弱、电电三三种种作作用用仍仍不不可可区区分分，夸夸克克和和轻轻子子可可以以互互相相转转变变；到到大大爆爆炸炸后后10-36秒秒，大大统统一一相相变变发发生生，强强作作用用同同电电、弱弱作作用用分分离离，物物质质和和反反物物质质之之间间的的不不对对称称性性(即即质质子子、电电子子等等这这类类物物质质多多于于反反质质子子、正正电电子子之之类类反反物物质质的的现现象象)开开始始出出现现；10-10秒秒以以后后，弱弱电电相相变变发发生生，弱弱作作用用和和电电磁磁作作用用分分离离，完完成成了了四四种种相相互作用逐一分化出来的历史。互作用逐一分化出来的历史。现代科学宇宙观的建立现代科学宇宙观的建立引力、强力、弱力和电磁力的产生引力、强力、弱力和电磁力的产生第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法作用力作用强度作用范围（cm）传递媒介作用对象强作用力110-13胶子夸克之间、核子之间电磁作用力10-2光子带电荷或磁距的粒子之间弱作用力10-1410-15中间玻色子所有粒子之间万有引力10-49引力子所有客体之间强子弱子光子（轻子）（介子）（重子）弱力弱力电磁 电磁电磁自自然然界界四四种种作作用用力力作用力及其作用力及其传递媒介传递媒介第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法大大爆爆炸炸3分分钟钟以以后后经经过过约约70万万年年，宇宇宙宙的的温温 度度 降降 到到3000K，电电 子子与与原原子子核核结结合合成成稳稳定定的的原原子子(这这个个过过程程称称复复合合)，光光子子不不再再被被自自由由电电子子散散射射，从从此此宇宇宙宙变得透明。变得透明。现代科学宇宙观的建立现代科学宇宙观的建立第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法现代科学宇宙观的建立现代科学宇宙观的建立又又过过了了几几十十亿亿年年，中中性性原原子子在在引引力力作作用用下下逐逐渐渐凝凝聚聚为为原原星星系系，原原星星系系聚聚在在一一起起形形成成等等级级式式结结构构的的星星系系集集团团。与与此此同同时时，原原星星系系本本身身又又分分裂裂形形成成千千千千万万万万的的恒恒星星。恒恒星星的的光光和和热热是是靠靠燃燃烧烧自自己己的的核核燃燃料料提提供供的的。其其后后果果是是合合成成碳碳、氧氧、硅硅、铁铁这这些早期宇宙条件下不能产生的重元素。些早期宇宙条件下不能产生的重元素。第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法在恒星生命即将结束时，在恒星生命即将结束时，它将通过爆发形式抛出富它将通过爆发形式抛出富含重元素的气体和尘粒。含重元素的气体和尘粒。这些气体和尘粒又构成新这些气体和尘粒又构成新一代恒星的原料。一代恒星的原料。在某些恒星周围，冷的气在某些恒星周围，冷的气尘会坍缩成一个旋转的薄尘会坍缩成一个旋转的薄盘。这些尘粒通过相互吸盘。这些尘粒通过相互吸引碰撞粘合，最后形成从引碰撞粘合，最后形成从小行星到大行星的形形色小行星到大行星的形形色色天体，即星系、恒星和色天体，即星系、恒星和太阳系的形成和演化。太阳系的形成和演化。现代科学宇宙观的建立现代科学宇宙观的建立第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法主主宰宰宇宇宙宙命命运运的的是是其其中中的的物物质质和和能能量量；如如果果物物质质和和能能量量足足够够多多，那那么么有有朝朝一一日日其其引引力力作作用用将将使使宇宇宙宙膨膨胀胀停停止止并并转转为为收收缩缩；反反之之，如如果果宇宇宙宙的的物物质质和和能能量量密密度度太太小小，宇宇宙宙就就会会永永远远膨膨胀胀下下去。去。所所以以，测测量量宇宇宙宙中中到到底底有有多多少少物物质质和和能能量量便便成成为为现现代代宇宇宙宙学的核心问题。学的核心问题。宇宙膨胀向何处去宇宙膨胀向何处去第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法宇宇宙宙在在膨膨胀胀时时，科科学学家家发发现现：当当我我们们把把宇宇宙宙中中所所有有闪闪闪闪发发光光的的星星星星全全部部加加起起来来，其其总总质质量量还还不不够够阻阻止止宇宇宙宙膨膨胀胀必必需需质质量量的的5%！即即使使只只测测量量我我们们的的银银河河系系，也也会会惊惊奇奇地地发发现现主主导导银银河河系系运运动动的的不不是是恒恒星星，而而是是占占90%总总质质量量、迄迄今今不不为为人人知知的的“暗暗物物质质”。这这些些暗暗物物质质对对星星系系的的形形成成，星星系系团团的的形形成成乃乃至至整整个个宇宇宙宙的的引引力力都都密密切切相相关关。或或许许，我我们们可可以以把把暗暗物物质质比比喻喻为为主主宰宰宇宇宙宙命命运运的的“上上帝帝”，而而有有人人又又将将它它们们称称为为宇宇宙中的宙中的“黑色幽灵黑色幽灵”。扑朔迷离的扑朔迷离的“暗物质暗物质”科學家首次繪製出宇宙暗物質三維數位地圖科學家首次繪製出宇宙暗物質三維數位地圖第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法不不仅仅仅仅是是暗暗物物质质，更更大大的的“幽幽灵灵”也也许许是是“真真空空能能”或或“黑黑色色”能能量量。它它无无处处不不在在却却又又不不在在小小尺尺度度（如如银银河河系系）表表现现效效应应，只只是是在在宇宇宙宙尺尺度度上上才才露露出出“峥峥狞狞面面目目”。它它与与宇宇宙宙命命运运息息息息相相关关！1998年年的的天天文文观观测测验验证证了了它它们们的的存存在在，并并确确定定了了它它们们在在宇宇宙宙中中的的统统治治地地位位95%的的物物质质和和能能量量是是“看看”不不见见的的，它它们们虽虽有有可可观观的的比比重重却却无无力力阻阻止止宇宇宙宙的的继继续续膨膨胀。胀。“黑色能量黑色能量”的幽的幽灵灵第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法1.1.星星系系分分布布的的大大尺尺度度结构结构星星系系是是由由数数十十亿亿至至数数千千亿亿颗颗恒恒星星和和气气体体尘尘埃埃等等星星际际物物质质构构成成的的庞庞大大天天体体系系统统，是是构构成成宇宇宙宙的的基基本本成成员员，其其直直径径大大小小从从数数千千到到数数十十万万光光年年，但但同同尺尺度度超超过过100亿亿光光年年的的宇宇宙宙相相比比，充充其其量量也也只只是是沧沧海海一一粟粟而而已已。“仙仙女女座座星星云云”其其中中大大概概有有两两千千亿亿到到三三千千亿亿颗颗恒恒星星，比比我我们们所所在在的的银银河河系系还还要要大大一一些些。我我们们所所在在的的银银河河系系大大概概是是一一千千亿亿到到两两千亿颗恒星。千亿颗恒星。二二.星系的形成和演化星系的形成和演化第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法到到现现在在为为止止，我我们们还还没没有有看看到到任任何何宇宇宙宙有有有有边边界界的的迹迹象象。我我们们知知道道，我我们们的的望望远远镜镜越越造造越越大大，我我们们观观测测技技术术越越来来越越发发展展，那那么么我我们们看看到到的的宇宇宙宙也也就就越越来来越越远远，我我们们能能看看到到的的距距离离也也就就越越来来越越远远。但但是是到到现现在在为为止止，并并没没有有发发现现任任何何宇宇宙宙有有边边界界的的迹迹象象，我我们们能能不不能能说说宇宇宙宙是是无无限限的的呢呢？宇宙是无限的吗？宇宙是无限的吗？第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法到现在为止，这样所谓的河外星系大概已经估计，应该有几百亿个像我们太阳系所到现在为止，这样所谓的河外星系大概已经估计，应该有几百亿个像我们太阳系所在的银河系这样巨大的恒星系统，我们想我们的宇宙有多大。那么现在观测到的最在的银河系这样巨大的恒星系统，我们想我们的宇宙有多大。那么现在观测到的最远的河外星系，它到我们之间的距离大概超过了一百亿光年，也就是说我们所在的远的河外星系，它到我们之间的距离大概超过了一百亿光年，也就是说我们所在的宇宙，它的大小最少就是不小于一百亿光年。比较准确的说法是一百四十亿光年。宇宙，它的大小最少就是不小于一百亿光年。比较准确的说法是一百四十亿光年。宇宙有多大？宇宙有多大？第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法宇宙爆炸后，星际空间存在着许多由气体和尘埃组宇宙爆炸后，星际空间存在着许多由气体和尘埃组成的巨大分子云。随着时间的推移，成的巨大分子云。随着时间的推移，原始星系云开原始星系云开始收缩和冷却始收缩和冷却，一步步分裂为更小更密的碎片，由，一步步分裂为更小更密的碎片，由这些碎片中最终诞生出第这些碎片中最终诞生出第一代恒星一代恒星。第一代恒星比。第一代恒星比太阳要重得多，明亮得多，寿命也短得多。在大约太阳要重得多，明亮得多，寿命也短得多。在大约1000万年内便耗尽了自己的燃料，然后通过爆发形万年内便耗尽了自己的燃料，然后通过爆发形式把式把自己内部合成的重元素抛回星际空间，自己内部合成的重元素抛回星际空间，进入第进入第二代、第三代恒星形成和演化的循环。上述过程的二代、第三代恒星形成和演化的循环。上述过程的后果是星系越年轻，重元素的含量应越少，而颜色后果是星系越年轻，重元素的含量应越少，而颜色则应偏蓝。大文观测表明情况的确如此。则应偏蓝。大文观测表明情况的确如此。2.星系的演化星系的演化第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法早期星系的密度比现在高早期星系的密度比现在高得多，相邻星系在引力作得多，相邻星系在引力作用下彼此靠近，产生潮汐用下彼此靠近，产生潮汐形变甚至合并为一的可能形变甚至合并为一的可能性也就高得多。性也就高得多。80年代发年代发射的红外天文卫星发现了射的红外天文卫星发现了一批极亮的年轻星系，其一批极亮的年轻星系，其中约中约60表现出表现出潮汐形潮汐形变或合并的特征：变或合并的特征：有有的星系拖出的星系拖出条条“尾巴尾巴”，有的星系长出两支，有的星系长出两支“角角”，有的双星系之间有，有的双星系之间有“桥桥”相通。这为星系的动相通。这为星系的动力学演化提供了一个有力力学演化提供了一个有力的证据。的证据。2.星系的演化星系的演化第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法早在早在17世纪时，世纪时，牛顿就提出了散牛顿就提出了散布于空间中的弥布于空间中的弥漫物质可以在漫物质可以在引引力作用下凝聚为力作用下凝聚为太阳和恒星的设太阳和恒星的设想。想。经过历代天经过历代天文学家的努力，文学家的努力，这一设想已逐步这一设想已逐步发展成为一个相发展成为一个相当成熟的理论。当成熟的理论。3.恒星的形成恒星的形成第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法宇宙爆炸后，星际空间存在着宇宙爆炸后，星际空间存在着许多由气体和尘埃组成的巨大许多由气体和尘埃组成的巨大分子云。这种气体云中密度较分子云。这种气体云中密度较高的部分在自身引力作用下会高的部分在自身引力作用下会变得更密一些。当向内的引力变得更密一些。当向内的引力强到足以克服向外的压力时，强到足以克服向外的压力时，它将迅速收缩落向中心。如果它将迅速收缩落向中心。如果气体云起初有足够的旋转，在气体云起初有足够的旋转，在中心天体周围就会形成一个如中心天体周围就会形成一个如太阳系大小的气尘盘，盘中物太阳系大小的气尘盘，盘中物质不断落到称为原恒星的中央质不断落到称为原恒星的中央天体上。在收缩过程中释放出天体上。在收缩过程中释放出的引力能使原恒星变热，当中的引力能使原恒星变热，当中心温度上升到心温度上升到1000万万K，足以足以引发热核反应时，引发热核反应时，“一颗恒星一颗恒星就诞生了。就诞生了。3.恒星的形成恒星的形成第二讲第二讲 自然界物质演化的辩证法自然界物质演化的辩证法恒星的形成恒星的形成取决于取决于诞生时的环境条件，诞生时的环境条件，恒星的质量范围在恒星的质量范围在0.1100个太阳质个太阳质量之间。更小的质量之间。更小的质量不足以触发核反量不足以触发核反应，更大的质量则应，更大的质量则会由于产