自然界的存在与演化精品文稿.ppt

自然界的存在与演化第1页，本讲稿共56页自然观中有两个问题是最重要的：自然界是如何构成的？自然界是如何发展的。第2页，本讲稿共56页一、自然界的物质形态一、自然界的物质形态 物质形态的多样性和统一性 固态、液态、气态、等离子态、超密态、真空场、反物质第3页，本讲稿共56页真空场：总能量处于最低状态的场，即基态的量子场。没有实物粒子，但具有真空涨落、真空相变、真空对称自发破缺等特性，真空场是这些性质的载体，说明它是物质的一种特殊形态。第4页，本讲稿共56页反物质：由反粒子（正电子、反质子等）构成。从理论上讲存在着反电子、反质子和反中子等“反”粒子构成的“反”物质，但尚无观测上的直接证据。第5页，本讲稿共56页实验设计思想：低能反质子环形加速器的形状如同田径场的跑道，有弯道和直道；反质子流与氙原子核在直道上对撞，可能产生反氢原子；由于反氢原子不带电，不会受到磁场的影响，那么若在直道与弯道结合处安装上探测器，就可以记录下直线飞行的粒子。第6页，本讲稿共56页二、自然界以系统方式存在着的有机整体以系统方式存在着的有机整体1、系统：自然界物质存在的普遍形式、系统：自然界物质存在的普遍形式其一，一个系统必须有两个以上的要素组成；其二，系统内各个要素之间、系统要素与系统整体之间的相互联系、相互作用，形成了特定的结构；其三，系统要素彼此之间联系成一个统一整体；其四，系统作为整体对环境表现出特定的功能。系统是由两个以上相互联系与相互作用的要素组成的具有特定结构和功能的有机整体。第7页，本讲稿共56页整个自然界可以看作是一个系统，自然界中的一切物质客体都自成系统。系统就是自然界物质存在的普遍形式。第8页，本讲稿共56页2、系统与环境：自然界是一个动态的开放系、系统与环境：自然界是一个动态的开放系统统 环境是系统存在的必要条件，系统的性质和功能是通过环境显现出来的。系统通过输入与输出对环境发生影响。第9页，本讲稿共56页孤孤立立系系统统：与环境隔绝的系统，它们之间没有任何交换。封封闭闭系系统统：与外界环境只有能量的交换的系统。开开放放系系统统：是与环境自由地进行物质、能量和信息交换的系统。第10页，本讲稿共56页开放系统被定义为在同环境交换物质的过开放系统被定义为在同环境交换物质的过程中呈现出输入和输出、自身物质组分的程中呈现出输入和输出、自身物质组分的组建和破坏的系统。组建和破坏的系统。”奥L.V.贝塔朗菲著：一般系统论（基础发展应用），社会科学文献出版社，1987年，P118第11页，本讲稿共56页生命有机体之所以能处于有组织的活动状态，就是由于生命系统能不断地与外界进生命系统能不断地与外界进行物质、能量和信息的交换行物质、能量和信息的交换。第12页，本讲稿共56页自然界的物质系统都是非孤立系统、非封闭系统，总是与环境存在相互作用的开放系统。整个自然界就是由各种动态的开放系统组成的。第13页，本讲稿共56页3、自然界的整体性与层次性、自然界的整体性与层次性 自然系统的基本属性 系统的整体性 系统的各个要素按一定方式构成的有机整体，系统是各个要素的有机集合，而不是简单地机械加和。第14页，本讲稿共56页贝塔朗菲指出：亚里士多德的“整体大于各孤立部分之和”的论点，至今仍然是“基本的系统问题的一种表述。”（贝塔朗菲：普通系统论的历史和现状，载科学学译文集，科学出版社，1981年，P305）第15页，本讲稿共56页系统的层次性系统的层次性，系统由一定的要素组成，一方面这些要素是由更低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。第16页，本讲稿共56页第17页，本讲稿共56页层次结构的结合度层次结构的结合度。层次由低到高推进，结合的紧密程度由大到小而递减。一定的物质层次与一定的阈值相适应。第18页，本讲稿共56页第19页，本讲稿共56页在认识自然物时，对认识某一层次的物质系统来说，对它的低层系统在一定范围内可视为黑箱。第20页，本讲稿共56页低层系统与高层系统之间的因果联系低层系统与高层系统之间的因果联系低层次系统作为原因可以在高层次系统中引起一定的结果；而高层次系统作为原因也会在低层次系统中引起某些结果；“双向因果链双向因果链”第21页，本讲稿共56页可以通过对低层系统的结构、规律等方面的认识，来取得高层系统的一些认识；可以从高层系统的规律出发，考虑到相应的边界条件和对应规则，对低层系统的现象给一些解释。第22页，本讲稿共56页层次结构中的双向因果链，既表明了低层系统对高层系统的基础性作用，又表明了高层系统对低层系统的制约调节性作用。反对还原主义，也要反对特创主义。第23页，本讲稿共56页三、自然演化的科学图景三、自然演化的科学图景 把历史观引入自然科学，从而形成科学基础上的自然界历史观。第24页，本讲稿共56页自然界的演化过程 宇宙和天体的起源与演化宇宙和天体的起源与演化 第一个阶段是基本粒子形成阶段第二个阶段是辐射阶段或核合成阶段第三个阶段是实物阶段 第25页，本讲稿共56页恒星的演化有四个阶段：恒星的演化有四个阶段：引力收缩阶段；主序星阶段；红巨星阶段；脉冲阶段第26页，本讲稿共56页地球的演化地球的演化 地球是在太阳系形成的过程中诞生的。首先是地球内部圈层的形成和演化其次是地球外部圈层的形成和演化再是地壳运动 第27页，本讲稿共56页生命的起源和生物的进化生命的起源和生物的进化从无机小分子合成有机小分子从有机小分子合成生物大分子从生物大分子组成多分子体系从多分子体系演变为原始生命 第28页，本讲稿共56页原始生命经历了从非细胞到细胞，从原核细胞到真核细胞的演化过程。植物沿着菌藻植物、苔藓植物、蕨类植物、裸子植物、被子植物的方向进化；动物沿着无脊椎动物、脊椎动物的方向发展；脊椎动物又沿着鱼类、两栖类、爬行类和哺（bu）乳动物类的方向前进，最后由哺乳动物类分化出了人类。第29页，本讲稿共56页人类的起源和进化人类的起源和进化 人类是从脊椎动物灵长类中的猿分化出来的。劳动是促成这一转变的决定性条件。古猿（南方古猿）阶段猿人（直立人）阶段早期智人（古人）阶段晚期智人（新人）阶段第30页，本讲稿共56页2、自然演化的方向：进化与退化、自然演化的方向：进化与退化 19世纪出现了关于自然界演化问题的两股思潮，即创立了两种演化理论。克劳修斯等人提出的热力学第二定律及其推广达尔文为代表创立的生物进化论。第31页，本讲稿共56页热力学第二定律有两种表述热力学第二定律有两种表述：开尔文：不可能从单一热源吸收热量使之完全变为有用的功而不产生其他影响。克劳修斯：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。第32页，本讲稿共56页它们反映了自然界与热现象有关的宏观过程的一个总的特征，即热传导的过程或功变热的过程都是不可逆的。这种不可逆过程的结果，不可能借系统内部的任何其他过程而自动复原。第33页，本讲稿共56页“熵”概念来表述热力学第二定律：自然界的一切自发过程，总是沿着熵增加的方向进行。熵的微观意义：微观粒子热运动所引起的无序性的量度。熵增加：无序性程度增加，系统更加混乱；熵减少：无序性程度减小，系统有序程度增大。第34页，本讲稿共56页1865年，克劳修斯的两条热力学基本原理：宇宙的能量是常数；宇宙的熵趋于一个极大值。“宇宙宇宙热热死死”第35页，本讲稿共56页生物进化论生物进化论：整个生物界的物种都是通过生存斗争和自然淘汰，经过千百万年进化、分化、复杂化而发展起来的。第36页，本讲稿共56页其进化的方向：其进化的方向：简单简单复杂复杂 低级低级高级高级 无序无序有序有序 建设、创新、组织化。建设、创新、组织化。第37页，本讲稿共56页这两种理论一个是有序到无序，退化！一个是无序到有序，进化！两种不同的演化图景两种不同的演化图景第38页，本讲稿共56页恩格斯：自然辩证法，P22、P23“运动的不灭不能仅从数量上去把握，运动的不灭不能仅从数量上去把握，而且还必须从质量上去理解。而且还必须从质量上去理解。”“放射到太空的热一定有可能通过某种放射到太空的热一定有可能通过某种途径（指明这一途径，将是以后自然科途径（指明这一途径，将是以后自然科学的课题）转变为另一种形式，在这种学的课题）转变为另一种形式，在这种形式中，它能够重新集结和活动起来。形式中，它能够重新集结和活动起来。”第39页，本讲稿共56页科学家的基本思路是：考虑系统如何从无序到有序，如果能找到从无序发展到有序的自然过程，则问题就解决了。第40页，本讲稿共56页1871年，麦克斯韦提出了著名的“麦克斯麦克斯韦妖韦妖”（Maxwels demon）的理想实验。第41页，本讲稿共56页1929年，德国齐拉德证明麦克斯韦妖麦克斯韦妖其实是一个有智力的有智力的存在物，它能记忆记忆和识别识别。第42页，本讲稿共56页1948年，信息论创始人申农定义信息熵为信息量的缺损，即信息量相当于负熵。麦克斯韦妖获得了信息就是获得了负熵。第43页，本讲稿共56页1967年，比利时科学家普里高津提出了“耗散结构理论”一个处于远离热平衡态的开放系统（无论是力学的、物理的、化学的、生物的还是社会的、经济的、文化的系统）可以通过不断地与外界环境交换物质、能量和信息，能够从原来的混沌无序的混乱状态，转变为一种时间上、空间上或功能上的有序状态。第44页，本讲稿共56页1944年，德国物理学家薛定谔指出：如如果果有有一一种种机机构构，它它是是开开放放系系统统，能能够够不不断断地地从从外外界界获获得得并并积积累累自自由由能能，它它就就产产生生“负负熵熵”。生命体就是这样的机构。他说：“要要摆摆脱脱死死亡亡，就就是是说说要要活活着着，唯唯一一的的办办法法就就是是从从环环境境中中不不断断地地汲汲取取负负熵熵。”（生命是什么，P78）第45页，本讲稿共56页一个远离平衡态的开放系统，其总熵的变化由两部分组成：系统本身由于不可逆过程引起的熵的增加，熵产生，永正；：系统与外界交换物质和能量引起的熵流，可正可负。第46页，本讲稿共56页根据热力学第二定律，恒有 （等号对应于平衡态）在孤立系统中，没有熵流，则系统没有熵变；，系统只能由有序走向无序。第47页，本讲稿共56页当一个系统存在熵流，即 时，要做具体分析：当 ，则 ，加速了系统趋向无序；当 ，且当 时，可以小于0，即 ；这时系统的总熵随时间变化而逐渐减小。第48页，本讲稿共56页耗散结构理论指出在开放条件下，系统如何在不违反热力学第二定律的情况下，经过自组织过程，从无序演化为有序结构。第49页，本讲稿共56页3、自然界演化的动力（内在根据）、自然界演化的动力（内在根据）自然系统进化的内在根据非线性相互作用。非线性相互作用是物质世界的本质，是事物运动的真正“终极原因”。第50页，本讲稿共56页线性方程 第51页，本讲稿共56页特征特征：一是加和性：各要素彼此独立，互不干涉，整体就等于各组成部分之和，根本不可能有新质突观生成。二是具有对称性：的反函数 仍为线性函数。第52页，本讲稿共56页三是具有均匀性：的导数 为常数，表示变化率恒定，不随时空而变。在线性相互作用条件下，事物完全按照确定的规律发展，没有任何随机性，只要知道了初始条件，根据线性微分方程就可以测算出它在未来任一时刻的位置和状态。第53页，本讲稿共56页非线性相互作用有着本质的不同 第54页，本讲稿共56页特点：特点：是各各要要素素间间具具有有非非独独立立的的相相干干性性，相互依赖，相互制约，具有相干协同性，使系统形成一个有机联系、不可分割的统一整体；是具有非加和性具有非加和性，整体的性质和功能不等于各孤立部分性质和功能的机械叠加，突现了各孤立部分所不曾有的系统新质；第55页，本讲稿共56页 是具有非对称性具有非对称性，反函数 ，这种非对称性使得系 统从无序走向有序，从低序走向高序；是非均匀性非均匀性，的导数 是一个变数，表明事物的发展不再遵循严格的决定论和服从动力学规律，而是服从统计学规律，系统行为具有一定的随机性和不确定性。第56页，本讲稿共56页