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系统自然观第1页，此课件共90页哦第一节第一节 系统自然观及其自然科学基础系统自然观及其自然科学基础 2020世纪的自然观在科学技术迅速发展的极大推世纪的自然观在科学技术迅速发展的极大推动下有了越来越自觉的辩证意识，这个自然观更加动下有了越来越自觉的辩证意识，这个自然观更加关注相互作用的系统联系、关注演化特性，以及关关注相互作用的系统联系、关注演化特性，以及关注人与自然相互和谐的生态协调。这是注人与自然相互和谐的生态协调。这是20202020世纪辩证世纪辩证自然观的三大基本特征。自然观的三大基本特征。20202020世纪的科学自然观，首先是一种关注相互世纪的科学自然观，首先是一种关注相互联系的系统自然观。由于物理学革命对物质和运联系的系统自然观。由于物理学革命对物质和运动、物质和时空联系的强调，由于系统科学发展动、物质和时空联系的强调，由于系统科学发展的三次高潮，带来了科学视野中对普遍联系的特的三次高潮，带来了科学视野中对普遍联系的特别关注。强调系统联系的思想，成为别关注。强调系统联系的思想，成为20202020世纪辩证世纪辩证自然观的显著特征。自然观的显著特征。第2页，此课件共90页哦20世纪4040年代开始到年代开始到9090年代，出现了在分析特征的科年代，出现了在分析特征的科学之外的新科学群，这类科学，不是以往科学那种可以学之外的新科学群，这类科学，不是以往科学那种可以局限于某种具体对象领域的科学，其对象是抽象的系统局限于某种具体对象领域的科学，其对象是抽象的系统及其内外的演化特性，这类科学可以统称为及其内外的演化特性，这类科学可以统称为“系统科学系统科学和复杂性科学和复杂性科学”。系统科学发展的三次高潮：第一次：2020世纪40年代的系统论、控制论和信息论。年代的系统论、控制论和信息论。第二次：20世纪世纪60-7060-70年达的耗散结构论、协同学、突变论和超循环论 第三次：第三次：20世纪90年代的混沌理论、分形理论和复杂年代的混沌理论、分形理论和复杂系统研究。系统研究。第3页，此课件共90页哦20世纪初，一些生物学家就提出不能把生物体看作是由器官、细胞构成的集合。1、系统科学、非线性科学和复杂性研究从30年年代代起起贝贝塔塔朗朗菲菲（1901197119011971）提出，生物学的主要任务是发现生物系统一切层次上的组织原理，认为整体在性质上不同于它的各个部分的加和，在创立的系统论中，提出了“整体不可分性”的“机体论”和“整体论”原则，使科学从研究孤立的部分转向研究系统及其规律。第4页，此课件共90页哦1948年，控制论由美国科学家维纳创立。同年，美国科学家香农等人创立了信息论。同年，美国科学家香农等人创立了信息论。一般系统论提出了系统、元素、结构、功能、系统环境等最基本的系统概念，提出了系统的研究方法和原则。控制论研究了系统控制的方式、信息流向等重要问题和自动控制等实用问题。信息论研究通信系统及其他系统内外信息的产生、演化、存储和传递及其作用。系统科学以系统观点看待自然界，揭示了自然界物质系统的整体性、层次性、动态性和开放性。第5页，此课件共90页哦2020世世纪纪6060年年代代以以来来，一一批批物物理理学学家家对对非非线线性性、复复杂性问题进行了更广泛深入的研究。杂性问题进行了更广泛深入的研究。普普普普利利利利高高高高津津津津（19171917）提提提提出出出出了了了了以以以以耗耗耗耗散散散散结结结结构构构构为为为为核核核核心心心心的的的的系系系系统统统统自自自自组组组组织理论。织理论。织理论。织理论。哈哈肯肯（19271927）研研究究了了多多组组分分大大系系统统怎怎样样由由无无序序态态，经经过过其其中中的的子子系系统统的的合合作作运运动动，转转变变为为有有序序结结构构，建建立立了了协同学（协同学（19691969）。）。）。）。法法国国数数学学家家托托姆姆于于1972197219721972年年建建立立了了描描述述和和预预测测系系统统演演化化在临界点突变行为的数学框架在临界点突变行为的数学框架“突变论突变论”。艾艾根根提提出出的的超超循循环环论论，揭揭示示了了生生物物大大分分子子形形成成的的自自组组织织形式，架设了从无生命向生命过渡的桥梁。形式，架设了从无生命向生命过渡的桥梁。美美国国的的洛洛仑仑兹兹（及及费费根根鲍鲍姆姆等等）研研究究了了“对对初初始始条条件件有有敏敏感感依依赖赖性性”的的非非线线性性系系统统，开开创创了了混混沌沌学学，揭揭示示了了隐隐藏藏在在混混乱乱现现象象深深处处的的惊惊人人秩秩序序以以及及自自然然万万物物生生长长演演化化的的普普适适规规律律，揭揭示示了了确确定定性性系系统统的的内内在在随随机机性性，体体现现了了随随机机性性存存在在于于确确定定性性之之中中、确确定定性性自自己己规规定定为为不确定性。不确定性。混混沌沌理理论论突突破破了了牛牛顿顿和和拉拉普普拉拉斯斯的的关关于于过过程程确确定定性性的的观观点点（从从根根本本上上消消除除了了拉拉普普拉拉斯斯决决定定论论的的可可预预测测性性的的观观念念），有人认为是继相对论和量子力学后物理学的第三大成就。有人认为是继相对论和量子力学后物理学的第三大成就。第6页，此课件共90页哦2.系统自然观的基本内容1）自然界不仅存在着，而且演化着）自然界不仅存在着，而且演化着2 2）自然系统是确定性和随机性的统一3 3）自然系统是简单性和复杂性的统一4 4）自然系统是线性与非线性的统一）自然系统是线性与非线性的统一第7页，此课件共90页哦自自组组织织理理论论等等属属于于“演演化化科科学学”（描描述述不不可可逆逆性性和和复复杂杂性，使时间从一个外部参量转变为自然演化的内在尺度）。性，使时间从一个外部参量转变为自然演化的内在尺度）。传传统统的的自自然然科科学学都都是是“存存在在科科学学”（所所描描述述的的都都是是可可逆过程，表现为时间反演是对称的）。逆过程，表现为时间反演是对称的）。1）自然界不仅存在着，而且演化着对对自自然然的的认认识识从从存存在在深深入入到到演演化化，试试图图在在存存在在与与演演化化之之间间架架起一座桥梁。起一座桥梁。2）自然系统是确定性和随机性的统一非线性系统会自发地产生不可预测的随机性，并且这是普遍现象。第8页，此课件共90页哦传传统统科科学学研研究究的的对对象象是是简简单单的的：线线性性的的、平平衡衡态态的、规则的、有序的、确定的、可逆的。的、规则的、有序的、确定的、可逆的。3）自然系统是简单性和复杂性的统一但自然系统实际上是复杂的：非线性的、非平衡态的、不规则的、无序的、不确定的、不可逆的。复杂系统的各要素之间存在着非常复杂的反馈、自催化、自组织作用。复杂性也是普遍存在的。复杂性也是普遍存在的。第9页，此课件共90页哦传统科学研究的都是线性系统；但线性系统只是现实自然系统的近似，现实自然系统是非线性的。非线性是普遍的，线性才是特例。自然界是线性与非线性的辩证统一。自然界是线性与非线性的辩证统一。4）自然系统是线性与非线性的统一第10页，此课件共90页哦线性与非线性线性与非线性n n线性和非线性首先用于区别函数线性和非线性首先用于区别函数y=fy=f（x x）对自变量）对自变量x x的依的依赖关系。线性函数，画出来是一条直线。其它一切高于赖关系。线性函数，画出来是一条直线。其它一切高于x x一次方一次方的多项式函数和其它函数，都是非线性的。最简单的非线性函数的多项式函数和其它函数，都是非线性的。最简单的非线性函数是抛物线。是抛物线。n n线性指量与量之间的正比关系，函数图象一根直线。在线线性指量与量之间的正比关系，函数图象一根直线。在线性系统中，部分之和等于整体，描述系统的方程遵从线性性系统中，部分之和等于整体，描述系统的方程遵从线性叠加原理，即方程的不同解加起来极为解。非线性则与之叠加原理，即方程的不同解加起来极为解。非线性则与之相反，无正比性质，因此更复杂，非线性系统则叠加原理相反，无正比性质，因此更复杂，非线性系统则叠加原理失效。失效。第11页，此课件共90页哦线性系统的特征线性系统的特征n n均匀性：首先它表现在系统量在空间分布上均匀，其次表现均匀性：首先它表现在系统量在空间分布上均匀，其次表现在系统各要素之间相互作用的权重在时间、空间上均匀。在系统各要素之间相互作用的权重在时间、空间上均匀。n n独立性：两个不同因素的组合作用等于每个因素单独作独立性：两个不同因素的组合作用等于每个因素单独作用的简单叠加，遵守线性叠加原理。用的简单叠加，遵守线性叠加原理。n n 可逆性：线性系统中将时间可逆性：线性系统中将时间T T反转变为反转变为T=-TT=-T，那么将沿同一轨，那么将沿同一轨迹回到原状态，例如牛顿第二定律，迹回到原状态，例如牛顿第二定律，F=maF=ma，如果，如果T=-TT=-T，它的，它的形式是不变的，将沿原运动的逆运动运行。形式是不变的，将沿原运动的逆运动运行。第12页，此课件共90页哦非线性系统的特征非线性系统的特征n n非均匀性：表现在空间颁布、作用方式、效果随时间、地点不同非均匀性：表现在空间颁布、作用方式、效果随时间、地点不同而不同，如我们熟知的台风，其便是复杂的非线性系统，它内部而不同，如我们熟知的台风，其便是复杂的非线性系统，它内部是不均匀的；是不均匀的；n n相干性：系统内部各要素相互约束，相互反馈，相互干相干性：系统内部各要素相互约束，相互反馈，相互干扰，线性叠加原理失效。如光干涉、衍射等；扰，线性叠加原理失效。如光干涉、衍射等；n n不可逆性：这是非线性系统的普遍特征，生命活动不可不可逆性：这是非线性系统的普遍特征，生命活动不可逆每日天气不可逆，深化行为可逆，其主要原因便是由逆每日天气不可逆，深化行为可逆，其主要原因便是由于非线性系统的非均匀性于非线性系统的非均匀性(主要是时空上的不均匀主要是时空上的不均匀)，使得系，使得系统内部各要素的重要性及作用不对称。统内部各要素的重要性及作用不对称。第13页，此课件共90页哦3.系统自然观确立的重大意义1）丰富和发展了辩证唯物主义自然观2）提供了系统思维方式系统分析方法与还原分析方法是不同的。系统分析方法与还原分析方法是不同的。第14页，此课件共90页哦揭示了自然界的系统性、整体性和层次性。揭示了自然界物质系统的开放性、动态性和自组织性。1）丰富和发展了辩证唯物主义自然观揭揭示示了了时时间间的的不不可可逆逆性性，以以系系统统、要要素素、功功能能、层层次次、有有序序、无无序序、整整体体等等概概念念对对物物质质存存在在的的空空间间形形式式、物物质质的的广广延延性性作作了了定定性性和和定定量量的的描描述述，阐阐明明了了时时空空与与物物质质的的相相互互联联系系，丰丰富富、深化了辩证唯物主义的时空观。深化了辩证唯物主义的时空观。揭揭示示了了自自然然界界再再循循环环发发展展中中有有序序与与无无序序、进进化化与与退退化化的的辩证统一。辩证统一。第15页，此课件共90页哦把把对对象象作作为为系系统统考考察察，从从整整体体、部部分分和和环环境境相相互作用解释对象的整体性质和运动规律。互作用解释对象的整体性质和运动规律。认认为为系系统统具具有有非非加加和和的的性性质质及及系系统统性性质质。认认识识系统的目的就在于把握这种系统性质。系统的目的就在于把握这种系统性质。2）提供了系统思维方式把系统看作动态的开放系统。侧重于从无序、不稳定性、多样性、不平衡性、非线性等方面研究对象。第16页，此课件共90页哦还原分析方法有两个前提：还原分析方法有两个前提：“部分部分”间无相互作用或相互作用可忽略；间无相互作用或相互作用可忽略；描描述述部部分分的的行行为为的的关关系系式式是是线线性性的的，这这样样才才能能进进行行累累加加，保保证证描描述述总总体体行行为为的的方方程程和和描描述述部部分分行行为为的的方方程程具具有有相相同同的的数数学学形形式式，以以便便通通过过部部分分过过程程相相加加取取得得总体过程。总体过程。显然，这种分析方法和思维方式不适用于复杂对象。系统分析方法与还原分析方法是不同的。第17页，此课件共90页哦第二节第二节 自然界的系统存在方式自然界的系统存在方式一、系统概念一、系统概念n系统是由若干相互联系、相互作用的要素所组成的具有一定结构和功能的有机整体，系统是自然界的一种根本属性和存在方式。“系统”一词最早见于古代原子论的创始者德谟克利特的世世界界大大系系统统一书，意指部分组成整体。亚里士多德曾提出“整体大于它的各部分之和”。第18页，此课件共90页哦系统的元素、结构、环境与功能关系系统的元素、结构、环境与功能关系 决定和影响系统功能的三个因素中，起主要作用的不决定和影响系统功能的三个因素中，起主要作用的不是组成元素和环境而是是组成元素和环境而是结构结构。因为环境仅是功能存在和实。因为环境仅是功能存在和实现的条件，不是决定功能的内在根据。决定系统整体功现的条件，不是决定功能的内在根据。决定系统整体功能的内在根据是系统的组成元素和组成元素之间相互作能的内在根据是系统的组成元素和组成元素之间相互作用的结构。而系统的组成元素虽然是系统具有某种功能用的结构。而系统的组成元素虽然是系统具有某种功能的物质基础和物质载体，但它不直接决定系统的功能。的物质基础和物质载体，但它不直接决定系统的功能。同组成元素相比，结构对系统性状、功能的决定作用同组成元素相比，结构对系统性状、功能的决定作用更为直接。更为直接。所以，比之环境和元素，系统的结构对于决所以，比之环境和元素，系统的结构对于决定系统功能具有更直接更根本的意义。定系统功能具有更直接更根本的意义。第19页，此课件共90页哦二、系统是自然界物质存在的普遍形式二、系统是自然界物质存在的普遍形式 整个自然界中的各种物质客体，从微观粒子到宇整个自然界中的各种物质客体，从微观粒子到宇宙天体，从生物大分子到整个生物圈，无不以系统宙天体，从生物大分子到整个生物圈，无不以系统的方式存在着。的方式存在着。例如例如 无机界无机界 ：强子，原子；：强子，原子；有机界有机界 ：DNA，细胞；第20页，此课件共90页哦三、系统的类型三、系统的类型1.按系统与环境之间关系，分为：按系统与环境之间关系，分为：n n孤立系统孤立系统既无物质交换又无能量交换既无物质交换又无能量交换n n封闭系统封闭系统仅有能量交换而无物质交换仅有能量交换而无物质交换n n开放系统开放系统既有物质交换又有能量交换既有物质交换又有能量交换第21页，此课件共90页哦三、系统的类型三、系统的类型2.按系统内发生的实际过程，分为：按系统内发生的实际过程，分为：n物理系统n化学系统n n生命系统等；生命系统等；第22页，此课件共90页哦三、系统的类型三、系统的类型3.按系统内各要素相互作用的特点，分为：按系统内各要素相互作用的特点，分为：n线性系统；n n非线性系统。非线性系统。第23页，此课件共90页哦自然界的系统性自然界的系统性三、系统的类型三、系统的类型4.按人类对自然的认识程度不同，分为：按人类对自然的认识程度不同，分为：n黑系统又叫又叫“黑箱黑箱”，不知系统的要素和结构，不知系统的要素和结构n白系统又叫又叫“白箱白箱”，清楚系统的要素和结构，清楚系统的要素和结构n n灰系统灰系统又叫又叫“灰箱灰箱”，系统的要素和结构若明若暗，系统的要素和结构若明若暗第24页，此课件共90页哦三、系统的类型三、系统的类型5.按人类在物质系统构建中的地位和作用，按人类在物质系统构建中的地位和作用，分为：分为：n n天然系统；天然系统；n n人工系统；人工系统；n n复合系统等。复合系统等。人们采用不同的视角和不同的标准，可以对自然人们采用不同的视角和不同的标准，可以对自然物质系统作出不同的划分。如：物质系统作出不同的划分。如：微观物质系统、宏观物质系统、宇观物质系统；微观物质系统、宏观物质系统、宇观物质系统；生命系统、非生命系统；生命系统、非生命系统；连续系统、离散系统；连续系统、离散系统；精确系统、模糊系统等等。精确系统、模糊系统等等。第25页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点1.整体性整体性系统整体性系统整体性 系统的各个要素按一定的方式构成有机整体，而具有不可还原的整体性质，即作为物质系统的整体，出现了它的组成部分所没有的性质或者失去了组成部分所具有的性质。第26页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点1.整体性整体性系统整体与部分的关系系统整体与部分的关系n n系统整体由部分组成，整体不能脱离部分而独系统整体由部分组成，整体不能脱离部分而独立存在。因此，在系统中，整体和部分之间存立存在。因此，在系统中，整体和部分之间存在着某些加和性或守恒关系。在着某些加和性或守恒关系。n n系系统统整体中的各整体中的各组组成部分之成部分之间间存在着相互作用，存在着相互作用，会造成部分中旧会造成部分中旧质质的消失而在整体中的消失而在整体中产产生出新生出新质质。因此，在系。因此，在系统统中，整体与部分之中，整体与部分之间间又存在又存在着非加和性或非守恒关系。着非加和性或非守恒关系。第27页，此课件共90页哦加和性与非加和性n n加和性：加和性：加和性：加和性：是指各部分可以用简单相加的办法逐渐建立整体的特性，即是指各部分可以用简单相加的办法逐渐建立整体的特性，即整体的特征能够分解为各个要素的特征之和。整体的特征能够分解为各个要素的特征之和。非加和性：非加和性：非加和性：非加和性：系统各部分之间的相干性，使系统出现其组成部分所系统各部分之间的相干性，使系统出现其组成部分所没有的新属性，系统与其构成要素之间出现质的差异。没有的新属性，系统与其构成要素之间出现质的差异。相干性是指一种耦合关系。相干性是指一种耦合关系。耦合各方经过物质、能量、信息的交换而彼此约束、选择、耦合各方经过物质、能量、信息的交换而彼此约束、选择、协同和放大。约束和选择意味着耦合各方原有自由度的减协同和放大。约束和选择意味着耦合各方原有自由度的减少乃至部分属性的丧失；协同和放大意味着耦合各方在一少乃至部分属性的丧失；协同和放大意味着耦合各方在一种新的模式下协调一致地活动，其原有的属性可以被拓宽种新的模式下协调一致地活动，其原有的属性可以被拓宽放大。它们交错重叠在一起，共同导致属性不可分割的整放大。它们交错重叠在一起，共同导致属性不可分割的整体的形成。体的形成。第28页，此课件共90页哦非加和性n例证：例证：在在在在一一一一个个个个原原原原子子子子中中中中，原原原原子子子子核核核核与与与与电电电电子子子子之之之之间间间间的的的的制制制制约约约约使使使使电电电电子子子子受受受受到到到到时时时时空空空空状状状状态态态态、随随随随机机机机性性性性、自自自自由由由由度度度度等等等等方方方方面面面面的的的的约约约约束束束束；由由由由于于于于约约约约束束束束，排排排排除除除除了了了了一一一一部部部部分分分分可可可可能能能能的的的的状状状状态态态态，保保保保留留留留了了了了另另另另一一一一部部部部分分分分可可可可能能能能的的的的状状状状态态态态，这这这这便便便便意意意意味味味味着着着着选选选选择择择择，最最最最终终终终使使使使得得得得核核核核与与与与核核核核外外外外电电电电子子子子协协协协同同同同构构构构成成成成原原原原子子子子，使使使使原原原原子子子子具具具具有有有有了了了了金金金金属属属属性性性性、非金属性等原子核与核外电子所不具有的新属性。非金属性等原子核与核外电子所不具有的新属性。非金属性等原子核与核外电子所不具有的新属性。非金属性等原子核与核外电子所不具有的新属性。如如如如果果果果整整整整体体体体由由由由于于于于部部部部分分分分的的的的相相相相干干干干性性性性出出出出现现现现新新新新属属属属性性性性，则则则则整整整整体体体体在在在在相相相相关关关关的的的的属属属属性性性性上上上上，便便便便表表表表现现现现出出出出非非非非加加加加和和和和性性性性。这这这这种种种种非非非非加加加加和和和和性性性性特特特特征征征征表表表表明明明明，物物物物质质质质系系系系统统统统的的的的整整整整体体体体特特特特性性性性既既既既不不不不能能能能归归归归结结结结为为为为它它它它的的的的组组组组成成成成部部部部分分分分的的的的特特特特性性性性，也也也也不不不不是是是是其其其其组组组组成部分的简单成部分的简单成部分的简单成部分的简单“堆积堆积堆积堆积”。第29页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点2.开放性开放性 自然系统具有物质、能量、信息三要素，开放系统是指系统与外界环境进行物质、能量、信息的交流。自然界的物质系统都是与外界环境存在相互作用的开放系统，整个自然界就是由各种开放系统组成的。第30页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点3.动态性动态性 现实开放的自然系统在产生、发展、衰退、消亡的过程中与外界不断进行着物质、能量、信息的交流，这就是系统的动态性。系统熵增走向无序、退化，系统递减便走向有序、进化方向发展。第31页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点4.稳定性稳定性系统的稳定性系统的稳定性 物质系统的稳定性是指物质系统在一定环境条件下物质系统的稳定性是指物质系统在一定环境条件下能够保持某种状态的特性，它体现了物质系统与环能够保持某种状态的特性，它体现了物质系统与环境的相互作用关系。境的相互作用关系。第32页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点4.稳定性稳定性系统的稳定性的衡量系统的稳定性的衡量 系统的稳定性可通过涨落衡量。系统的状态变量对平均值的一定偏离系统的稳定性可通过涨落衡量。系统的状态变量对平均值的一定偏离或起伏即涨落。只有经受涨落后能恢复自身状态的物质系统，才有存或起伏即涨落。只有经受涨落后能恢复自身状态的物质系统，才有存在的可能。这种对涨落的不变性就是系统的稳定性。然而，并非系统在的可能。这种对涨落的不变性就是系统的稳定性。然而，并非系统的每种状态都是稳定的。按照对涨落的不同反应可以区分出三种状态：的每种状态都是稳定的。按照对涨落的不同反应可以区分出三种状态：恒稳态恒稳态对涨落保持不变的状态；亚稳态对涨落保持不变的状态；亚稳态在一定范围内对涨落保在一定范围内对涨落保持不变的状态；不稳定态持不变的状态；不稳定态在涨落下即行消失的状态。在涨落下即行消失的状态。第33页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点4.稳定性稳定性系统的稳定性与耗散结构系统的稳定性与耗散结构 一个远离平衡态的开放系统通过不断与外界交换物质与能量，一个远离平衡态的开放系统通过不断与外界交换物质与能量，在外界条件的变化达到一定阈值时，可能从原来的无序混乱状在外界条件的变化达到一定阈值时，可能从原来的无序混乱状态，转变为一种时空或结构有序的新状态，这种有序状态需要态，转变为一种时空或结构有序的新状态，这种有序状态需要不断地与外界交换物质和能量才能维持，并保持一定的稳定性。不断地与外界交换物质和能量才能维持，并保持一定的稳定性。这种在远离平衡情况下形成的新的有序结构，称为这种在远离平衡情况下形成的新的有序结构，称为“耗散结构耗散结构”。耗散结构作为一种时空有序结构，正是在一个自我保持和自我修复的。耗散结构作为一种时空有序结构，正是在一个自我保持和自我修复的系统中维护各部分之间关系的一种特定构型。因而其存在就标志着系统系统中维护各部分之间关系的一种特定构型。因而其存在就标志着系统处于处于“稳定状态稳定状态”。耗散结构的产生过程也是一种自组织形成的过程，。耗散结构的产生过程也是一种自组织形成的过程，其形成机制在一定程度上反映了系统稳定性产生并得以保持的内在原其形成机制在一定程度上反映了系统稳定性产生并得以保持的内在原因。因。第34页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点4.稳定性稳定性系统的稳定性的相对性系统的稳定性的相对性 物质系统的稳定性是相对于一定范围而言的。超出这个范围，物质系统的稳定性是相对于一定范围而言的。超出这个范围，原有的稳定态就会失稳，涨落将支配系统的行为。当这种原有的稳定态就会失稳，涨落将支配系统的行为。当这种涨落被一定条件所巩固时，就会出现新的稳定态。即随着涨落被一定条件所巩固时，就会出现新的稳定态。即随着外界控制参量的变化，系统会经历稳定外界控制参量的变化，系统会经历稳定失稳失稳再稳定再稳定的演化历程。的演化历程。第35页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点4.稳定性稳定性普利高津的结构普利高津的结构-功能功能-涨落图涨落图 按图式，随机涨落会导致系统内部机制的改变按图式，随机涨落会导致系统内部机制的改变(普利高津称普利高津称这种机制为这种机制为“功能功能”)。如果这种改变不是发生在临。如果这种改变不是发生在临界点附近，那么系统的结构会平息涨落，系统依然界点附近，那么系统的结构会平息涨落，系统依然是稳定的。如果涨落被放大到临界点附近，结构无是稳定的。如果涨落被放大到临界点附近，结构无法调整这些机制，稳态将转化为失稳，宏观时空结法调整这些机制，稳态将转化为失稳，宏观时空结构也会发生变化。而在变化了的时空结构中，又会构也会发生变化。而在变化了的时空结构中，又会有新的涨落。有新的涨落。第36页，此课件共90页哦普利高津结构普利高津结构功能涨落图功能涨落图第37页，此课件共90页哦自然界的系统性自然界的系统性四、系统的基本特点四、系统的基本特点5、层次性、层次性系统的层次性系统的层次性 层次结构指的是若干个组成元素经相干关系构成的系统，再经过新的相干关系而构成新的系统的逐级构成结构关系。如下图：第38页，此课件共90页哦非生命世界物质层次非生命世界物质层次第39页，此课件共90页哦生命世界物质层次生命世界物质层次第40页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点5、层次性、层次性系统的层次性的特点系统的层次性的特点a.a.a.a.层次结构构成性关系：层次结构构成性关系：层次结构构成性关系：层次结构构成性关系：低层系统必须是高层系统的构成部分，而高层低层系统必须是高层系统的构成部分，而高层系统也只能以低层系统为存在基础。层次结构系统也只能以低层系统为存在基础。层次结构中的构成性关系是物质系统之间的纵向的或垂中的构成性关系是物质系统之间的纵向的或垂直的有序关系，即子系统与母系统、各个子系直的有序关系，即子系统与母系统、各个子系统之间的相互包含和相互作用，它反映出不同统之间的相互包含和相互作用，它反映出不同层次之间是相互依存的。层次之间是相互依存的。第41页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点5、层次性、层次性系统的层次性的特点系统的层次性的特点b.b.b.b.层次结构的相干性关系：层次结构的相干性关系：层次结构的相干性关系：层次结构的相干性关系：只有通过相干性关系，它们才能结合起来构成只有通过相干性关系，它们才能结合起来构成高一级系统，导致纵向层次间质的差异。随着高一级系统，导致纵向层次间质的差异。随着每一个新物质层次的形成，总会有新质的突现每一个新物质层次的形成，总会有新质的突现和新功能的问世。相干性关系所造成的新层次和新功能的问世。相干性关系所造成的新层次往往在自身结构上更简单一些，从而为低层系往往在自身结构上更简单一些，从而为低层系统能够并入高层次的活动模式创造条件。统能够并入高层次的活动模式创造条件。第42页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点5、层次性、层次性系统层次结构的结合度系统层次结构的结合度 由层次结构的基本特点决定了其结合度的差异性和递减由层次结构的基本特点决定了其结合度的差异性和递减性等特征。一般随着层次由低向高推进，结合的紧密程性等特征。一般随着层次由低向高推进，结合的紧密程度由大到小递减：从将夸克结合为基本粒子的力到将中度由大到小递减：从将夸克结合为基本粒子的力到将中子和质子结合为原子核的核交换力；从将原子核与电子子和质子结合为原子核的核交换力；从将原子核与电子结合的电磁力到将原子结合为分子的共价键或离子键；结合的电磁力到将原子结合为分子的共价键或离子键；从将化学分子结合为生命大分子到将多细胞结合为生命从将化学分子结合为生命大分子到将多细胞结合为生命整体；直至维持生物群落和生态系统的力量，不但具有整体；直至维持生物群落和生态系统的力量，不但具有巨大的强弱差异，而且是依次递减的。巨大的强弱差异，而且是依次递减的。第43页，此课件共90页哦四、系统的基本特点四、系统的基本特点5、层次性、层次性系统层次结构的因果链系统层次结构的因果链 上上向向因因果果链链和和下下向向因因果果链链。其其一一，低低层层系系统统及及其其相相干干性性关关系系作作为为原原因因，可可以以在在高高层层系系统统中中引引起起一一定定的的结结果果，决决定定高高层层系系统统的的特特点点和和规规律律，此此乃乃其其上上向向因因果果链链。其其二二，高高层层系系统统对对低低层层系系统统的的支支配配、影影响响和和限限制制，这这是是其其下下向向因因果果链链。这这种种双双向向因因果果链链的的存存在在，不不仅仅造造成成了了层层次次之之间间的的差差别别，也也沟沟通通了了层层次次之之间间的的联联系系：上上向向因因果果链链的的存存在在，提提供供了了从从低低层层次次规规律律入入手手认认识识高高层层次次现现象象的的可可能能性性；而而下下向向因因果果链链的的存存在在，则则保保证证了了从从高高层层次次规规律出发对加入高层系统的低层现象进行解释和预言的可能性。律出发对加入高层系统的低层现象进行解释和预言的可能性。第44页，此课件共90页哦第三节 自然界的演化1.自然演化的不可逆性和自然进化自然演化的不可逆性和自然进化2.自然系统演化的基本方式1 1）演化与进化2）自然演化的不可逆性3）自然界的进化：有序化和对称破缺3.3.自然系统演化的自组织机制4.4.自然界循环发展的无限性第45页，此课件共90页哦进进化化：在在没没有有外外界界的的特特定定干干预预的的情情况况下下，物物质质客客体体演演化化中中由由无无序序到到有有序序、由由低低序序到到高高序序的的趋趋势势和和过过程。程。退化则反之。退化则反之。演化是一种具有不可逆性的运动形态，它有两种不同的趋势：进化与退化。1）演化与进化第46页，此课件共90页哦2）自然演化的不可逆性可逆与不可逆可逆与不可逆不可逆过程的普遍性不可逆与时间之矢不可逆与时间之矢不可逆性在演化中的作用不可逆性在演化中的作用第47页，此课件共90页哦否则即不可逆过程，简称不可逆。否则即不可逆过程，简称不可逆。引起的物质系统状态的改变和环境的变化都能被完全复原的过程。可逆与不可逆不可逆过程的普遍性简称简称“可逆可逆”即即物物质质系系统统回回到到原原来来状状态态，同同时时消消除除了了原来过程对外界环境引起的影响。原来过程对外界环境引起的影响。第48页，此课件共90页哦法国诗人哲学家奇内（Edgar Quinet）说：自然是不会回头的；它决不重做它所破坏的东西；它不会再看已经破坏的模型。玻玻姆姆说说：“将将自自然然规规律律描描述述成成原原则则上上完完全全可可逆逆，只只不过是实在的极度简化的表现的产物。不过是实在的极度简化的表现的产物。”自然界中发生的过程都是不可逆的。自然界中发生的过程都是不可逆的。如如热热传传导导、质质量量扩扩散散、功功热热转转化化、生生长长发育、物种进化发育、物种进化普普里里戈戈金金：“那那许许许许多多多多塑塑造造着着自自然然之之形形的的基基本本过过程程本本来来是是不不可可逆逆的的和和随随机机的的，而而那那些些描描述述基基本本相相互互作作用用的的决决定定性性和和可可逆逆性性的的定定律律不不可可能能告告诉诉人人们们自自然然界界的的全部真情。全部真情。”第49页，此课件共90页哦在在可可逆逆过过程程和和不不可可逆逆过过程程中中，时时间间的的地地位位与与作作用用明明显不同。显不同。在在经经典典力力学学、相相对对论论、量量子子力力学学中中，时时间间只只是是描描述述运动的一个参量，时间是反演对称的。运动的一个参量，时间是反演对称的。不可逆与时间之矢在在热热力力学学系系统统中中，描描述述这这类类系系统统运运动动的的方方程程并并没没有有对时间反演的对称性。对时间反演的对称性。第50页，此课件共90页哦从物质系统状态变化的趋势可以表述为：从物质系统状态变化的趋势可以表述为：在在孤孤立立系系统统内内实实际际发发生生的的过过程程，总总是是使使整整个个系系统统的的熵增大。熵增大。从热传递角度可以表述为：从热传递角度可以表述为：热量总是从高温物体传到低温物体，不能做相反的传递而不带有其他变化。最最早早对对不不可可逆逆过过程程作作的的科科学学描描述述是是热热力力学学第第二二定定律律（克劳修斯（克劳修斯1850，汤姆生，汤姆生18511851）。）。第51页，此课件共90页哦这种对称性的破缺产生了有实质意义的时间之矢。这里的时间已不再是描述系统运动的外在参量，而是和系统演化相联系的、有物理内容的时间了（“内在时间”）。这种时间对称破缺在自然界中广泛存在。可逆过程中不可能有真正的演化。可逆过程中不可能有真正的演化。第52页，此课件共90页哦在有不可逆过程存在的情况下，演化才是可能的，质的多样性才是可能的。不不可可逆逆过过程程（发发生生在在近近平平衡衡态态附附近近）可可导导致致有有序序结结构构的的破破坏坏，（发发生生在在远远离离平平衡衡的的非非线线性性非非平平衡衡区区，再再加上外部条件）也可导致更加有序的结构的产生。加上外部条件）也可导致更加有序的结构的产生。不可逆性在演化中的作用如贝纳德花纹、激光等。如贝纳德花纹、激光等。不不可可逆逆过过程程的的建建设设性性作作用用主主要要源源于于系系统统内内部部正正反反馈之类的相干效应。馈之类的相干效应。第53页，此课件共90页哦“序”：时空结构的规则性，既可用来描述自然系统的状态，也可用来反映自然系统演化的过程。它表现为时空结构的规则性，和时间演化过程的某种规律性。3）自然界的进化：有序化和对称破缺序、有序和无序第54页，此课件共90页哦有有序序：事事物物或或系系统统要要素素之之间间有有规规则则的的联联系系和和转转化化（要要素素的的有有规规则则排排列列，变变化化的的明明显显的的周周期期性性，行行为为的的一定的关联性等）。一定的关联性等）。自自然然界界中中的的有有序序可可分分为为结结构构序序（包包括括时时间间序序、空空间序、时空序）和功能序。间序、时空序）和功能序。无无序序则则反反之之（系系统统内内部部各各要要素素混混乱乱而而有有规规则则的的组组合合、变化的无规则性）。变化的无规则性）。第55页，此课件共90页哦系系统统都都是是有有序序与与无无序序的的不不同同程程度度的的辩辩证证统统一一。这这种种统统一一的的不不同同程程度度，构构成成了了系系统统的的一一定定秩秩序序，即即“有有序序度度”。事事物物或或其其状状态态不不同同的的有有序序度度构构成成一一系系列列的的阶阶梯梯。向向有有序序化化发发展展意意味味着着有有序序度度增增高，向无序化发展意味着有序度降低。高，向无序化发展意味着有序度降低。系统的有序度可以有不同的参量来描述：系统的有序度可以有不同的参量来描述：热力学中用热力学中用“熵熵”表示系统的无序程度；表示系统的无序程度；在在系系统统论论和和信信息息论论中中，系系统统的的序序则则用用它它所所包包含含的的信信息息量量来来度度量。量。有序和无序是相对的：有序和无序是相对的：世界上没有绝对的有序，也没有绝对的无序；世界上没有绝对的有序，也没有绝对的无序；有序与无序在一定条件下可相互转化。有序与无序在一定条件下可相互转化。第56页，此课件共90页哦对称态对应着无序态。最对称的世界没有任何秩序和结构，没有任何特殊方向和特殊点。平衡态就是如此。对称和破缺“对称对称”：一定变换下的不变性。：一定变换下的不变性。按按现现代代宇宇宙宙学学，宇宇宙宙就就起起源源于于混混沌沌、无无序序，起起源源于于这这种对称态。种对称态。第57页，此课件共90页哦宇宙的演化就是一个从完全对称性到对称性逐步丧失、非对称性逐步形成的过程。（对称）破缺