自然辩证法第二章20世纪自然科学的发展与系统自然观.doc

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1、如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流自然辩证法 第二章 20世纪自然科学的发展与系统自然观【精品文档】第 9 页第二章：20世纪自然科学的发展与系统自然观一、系统自然观产生的自然科学基础（一）现代自然科学的发展1. 物理学上的新发现德国物理学家伦琴1895年，发现X射线。英国物理学家汤姆逊1897年，证实了电子流。法国.居里夫妇发现放射性元素2、物理学上的危机“两朵乌云” 黑体辐射问题紫外灾难，经典理论无法解释 以太问题迈克尔逊莫雷实验 经典物理学陷入危机3、物理学革命（1）“相对论” 1905年，爱因斯坦发表了题为运动物体中的电动力学的论文 狭义相对论的两个基本原理：相对性原理；物理学定

2、律在所有的惯性系中是相同的，不存在一种特殊的惯性系。光速不变原理：在所有的惯性系中，真空中光的速度具有相同的值。 1916年，爱因斯坦发表了广义相对论的基础（2）量子假说 1900年12月24日，普朗克在法国物理学会上宣读了题为关于正常光谱能量分布定律的理论的论文。宣告了量子论的诞生。提出了能量子假说。（3）光的量子理论 1905年爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上找出了光量子假说，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。 （提出“波粒二象性”解释光电效应）量子力学的建立法国物理学家德布罗意 实物粒子也具有波动性奥地利物理学家薛定谔 物质波的运动方程海森堡 测不准关系 xph/2辩

3、证唯物主义自然观的新发展1爱因斯坦相对论的建立，否定了牛顿的绝对时空观，把时间、空间联系起来，引起了时空观、物质观、运动观的深刻变革。 2量子力学揭示了统计决定论的因果观。（改变了经典理论中的严格决定论；说明自然界是一个统一的、不可分割的整体。）3分子生物学深化了对生命机制和生命本质的认识四大理论模型 宇宙学中的大爆炸模型 粒子物理学中的夸克模型 分子生物学中的DNA双螺旋模型 地球科学中的板块模型 科学革命的不彻底性和遗留问题（1）关于自然界是存在还是演化的问题只克服了机械性、形而上学的片面性和孤立性，而静止性的克服有待科学进一步的发展。（二）系统科学和复杂性科学系统科学是把对象作为组织性、

4、复杂性系统从整体上进行研究，以揭示其运动规律和实际处理这类系统的科学。包括：控制论、信息论、系统论、耗散结构理论、突变论、协同学、混沌理论、超循环理论等系统科学的产生和发展系统科学的产生和发展：“三论”：系统论、控制论、信息论(新三论)非平衡理论： 耗散结构理论 比利时普里高津 协同学：德国哈肯 突变理论：法国托姆混沌理论：混乱、无序最早的系统科学1、一般系统论（生物学家贝塔朗菲1901-1972） 第一次把“系统”定义为“相互作用的若干要素的复合体”。（使科学研究对象从孤立的部分转向整体）最早的系统科学 一般系统论是关于系统的一般模式、结构和规律的学问，它研究各种系统的共同特征，用数学方法定

5、量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门新兴科学。2、控制论cybernetics（美国 维纳 1948年创立） 研究系统的状态、功能、行为方式及变化趋势，控制系统的稳定，揭示不同系统的共同的控制规律，使系统按预定目标运行的技术科学。信息是控制论的基本概念，既非物质，也不是能量。反馈是把被控制对象在控制信息作用下产生的输出信息返回传送给控制器，以根据控制效果来调控控制作用。3、信息论information theory（美国数学家 香农 1948年创立）是运用概率论与数理统计的方法研究信息通信系统、数据传输、系统组织化程度以及信息在系统中如何有

6、效的传输等问题的应用数学学科。 （信息熵作为信息量的测度） 新系统科学新三论（20世界70年代前后）自组织（Selforganization） 是指一个系统的要素按照彼此的相干性、协同性或某种默契而形成的特定结构和过程。（信息来自内部，结构和功能在一定条件下自发产生）1、耗散结构理论dissipative structure theory（比利时科学家普里戈金1967年创立） 提出一个远离平衡态的开放系统可以通过不断地与外界交换物质、能量和信息，当外部条件达到一定临界值时，从原来混沌无序的状态转变为有序状态，形成有序结构的理论。2、协同学（德国科学家哈肯1969年创立） 以竞争、协同和序参量等

7、因子的系统内部相互作用解释系统动力学的理论，揭示了自组织的内在动力机制。、突变论（法国数学家托姆1972年创立）从结构的稳定性与非稳定性的对立统一角度用数学语言精确的描述了突变的过程、类型和内容。 证明了突变是“飞跃”的论断、超循环理论（艾根1971年创立） 以分子之间的关联形成循环链条的方式解释如何进化成为大分子的理论 揭示了非生命自组织、非生命自组织向生命自组织演化的过程形式和本质。系统的复杂性复杂系统是具有中等数目基于局部信息做出行动的智能性、自适应性主体的系统。 中等数目的主体:元素既不能太多,也不能太少.局部信息:没有中央控制,每个主体只可以从个体集合的一个相对较小的集合中获取信息,

8、做出相应的决策.智能性和自适应性:系统内的元素或主体的行为遵循一定的规则,根据环境和接收信息调整自身的状态和行为,且主体通常有能力调整规则,产生新规则.复杂系统的特征突变性、不稳性、非确定性、不可预测性以上这些新系统科学的侧重点是系统的演化，据此称它们为“自组织系统科学” 存在物理学 （原来物理学） 演化物理学二、系统自然观的基本内涵和思想（一）系统自然观的基本思想物质观：开始把具有复杂性特征的事物作为研究对象，注重结构、相互关系及其演化.时空观：进一步明确时空与物质的关联，表达时空与物质的复杂关系.演化观：强调事物的生成、演化以及对初值和环境的极端敏感性.生命观：以“自组织”的观点，揭示事物

9、会自发自主的从非生命演化出生命.环境和条件观：强调事物与环境的互动.系统观：把世界看作系统，注重整体性、关联性。（最显著、最根本的）（二）系统自然观最基本的内涵1、自然系统不仅存在着，而且演化着；（从存在到演化） 不可逆性（时间之矢） 可逆过程 （时间反演对称） 使时间从一个外部参量转变为自然演化的内在尺度，提出“内部时间”概念，表明自然科学从存在的科学走向演化的科学。2、自然系统不仅是确定的，而且会自发地产生不可预测的随机性； 确定性和随机性的统一3、自然系统不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的； 简单性和复杂性的统一 线性和非线性的统一（三）系统自然观确立的重大意义1、 丰富和发展

10、了辩证唯物主义自然观丰富和发展了物质观整体性是自然界最基本的属性丰富和发展了运动观自组织性丰富和发展了时空观时间之矢是物理系统的内部属性论证了辩证唯物主义自然观关于运动、发展的大循环思想2、提供了系统思维方式系统思维方式：是把对象当作一个系统的整体加以思考的思维方式，根据系统的性质、关系、结构，把对象的各个组成要素有机地组合起来构成模型，研究系统的功能和行为，具有整体性、综合性、定量化和精确化的特征。基本思路： 把对象作为整体来考察 “整体大于部分之和”（非加和性） 把系统看作动态开放系统 侧重研究无序、不稳定性、非线性、不平衡性系统思维与形而上学思维方式的比较系统论： 整体、综合 双向思维形

11、而上学还原论部分、分析 单向思维3、为科学认识活动提供世界观和方法论的指导三、自然界的系统存在方式（一）何谓“系统”？贝塔朗菲：系统是处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各组成部分的集合。钱学森：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体。系统的定义： 所谓系统，就是由一定数量相互联系、相互作用的要素所组成的、具有特定功能的有机整体。v 系统由若干要素组成v 系统内诸要素间形成了特定的结构v 具有特定功能的统一整体v 功能是在系统与外部环境的相互作用中表现出来。（系统总是处于一定环境之中）（二）系统的类型v 根据系统与环境的关系可分为： 1.孤立系统 2.封闭系统3.开放

12、系统（更大的普遍性）v 根据人对自然物参与的程度可分为： 1.天然系统2.人工系统 3.复合系统v 根据物质系统状态可分为： 1.静态系统（平衡态系统）（近平衡态系统）2.动态系统（远离平衡态）v 根据系统领域及认知程度可分为： 微观系统、宏观系统、宇观系统、黑系统、白系统、灰系统三）系统的特点v 1.动态开放性（可变性） 是物质系统与其环境系统之间的相互关系，即与外界自由地进行物质、能量和信息交换，进而不断地运动、发展和变化。v .稳定性 是系统的一个基本特点，即一个系统的结构一旦形成，就总是趋向于保持某一状态。v .整体性（最突出、最根本） 系统是各要素按一定方式构成有机整体，而非简单地加

13、和；系统表现出各组成要素所没有的新性质和功能。“整体大于部分之和”整体性是一切自然系统的普遍属性v .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。 层次结构的特点 层次结构 ：指的是若干要素经相干性关系构成的系统，再通过新的相干性关系而构 成新系统的逐级构成的结构关系。层次结构中的构成性关系是物质系统间的纵向关系层次结构中的相干性关系是物质系统间的横向关系（横向关系的存在导致了纵向层次间的差异）层次结构的结合度随着层次结构由低到高推进，结合的紧密程度由大到小而递减。 反之，则高层系统形成时，低层系统必将瓦解，进而不能

14、成为一个整体。层次越高，结合度越小高层系双向因果链上向因果链下向因果链统 既造成了层次间的差异，也沟通了层次间的联系 质的差异 限制和影响 底层系统表明：低层系统对高层系统的基础 性作用 高层系统对低层系统的支配调节作用（四）系统中的几对辩证关系1、系统与要素 区别： 系统与要素在性质、功能、关系以及构成方面都是不一样的。 系统的新质不是要素性质的简单加和 联系： 系统与要素相互依存；系统与要素相互影响 ；系统与要素相互转化2、系统的功能与结构 系统的结构：是指自然系统的诸要素之间的相互关系的总和，它表现为系统内部的 组织形式、联系方式和秩序。 系统的功能：是指系统与外界环境之间表现出来的物质

15、、能量、信息的输入与输出 的变换关系。 功能与结构的关系 结构是功能的内在根据（相对稳定），功能是结构的外在表现（可变性）。 结构决定功能、功能对结构具有反作用、功能具有相对的独立性3、加和性与非加和性的辩证关系 加和性：一个系统能够通过把原来分离的要素集合拢来的方式建立起来；反之，系 统的特征能够完全分解为各个分离要素的特征。 非加和性表征系统与其构成部分之间质的差异，表征新属性的出现。非加和性相干性 相干性耦合关系耦合各方经过物质、能量、信息的交换而彼此约束和选择、协同和放大。耦合:在复杂系统中开放条件下,很多复杂因素共同坚强或削弱某一因素的行为.约束和选择自由度减少；部分属性丧失.协同和

16、放大在新的模式下协调一致，原有属性被拓宽放大.如耦合不改变各方的某种属性，那么在这种属性上，部分对整体是加和的。如耦合中各方的属性是相干的，那么在这类属性上，部分对整体是非加和的。（系统中必然存在）加和性与非加和性共存于系统之中，在系统演化过程中相互转化。4、稳定与涨落的辩证关系 涨落：刻划系统整体状态的宏观量对平均值的起伏或偏离 稳定：宏观量保持在某种平均值上根据对涨落的不同反应，可区分出三种状态： 恒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持不变的状态不稳定状态在涨落下会消失的状态 稳定与涨落的矛盾统一：稳定失稳再稳定四、自然界的演化发展 自然界演化的不可逆性 自然界演化的方向

17、性 自然系统演化的基本方式 自然系统演化的机制（一）时间之矢与不可逆性 可逆与不可逆（刻划过程的概念） 设在某一过程 L 中，系统从状态 A 变化到状态B 。如果能使系统从状态 B 逆向回复到初状态 A ，而同时外界也恢复原状，过程 L 就称为可逆过程。 如果系统不能回复到原状态 A ，或者虽然能回复到初态 A ，但外界不能恢复原状，那么过程 L 称为不可逆过程。可逆过程 时间反演对称：如描述一个过程的数学方程中，将时间t 的符号改变 （ t - t ），方程的形式不变。（过去与未来对运动没有区别） 时间反演对称可逆过程 时间仅仅是从外部描述运动的一个参量，它的变化不影响运动的性质。（没有物理

18、内容，没有实质性意义）结论：大量事实表明，一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的，热力学第二定律的实质在于揭示了自然过程的不可逆性。不可逆性在 演化中的作用 不可逆显示了时间的方向性，突出了时间箭头的实质性意义，从而是有物理内容的时间。这意味着，在不可逆过程存在的情况下，自然界的演化才是可能的，质的多样性才是可能的。 一方面不可逆过程总是起着破坏有序结构，使有序趋向无序的消极作用退化 另一方面，不可逆过程也具有建设性作用，产生更加有序的结构进化 与不可逆过程联系的时间箭头即可以指向退化方向，又可以指向进化方向。（二）自然界演化的方向性进化与退化v 进化（evolution）：自然界的物质系

19、统在物质形态和运动形式上由简单到复杂、由低级到高级、由混乱无序到组织有序的发展趋势或复杂性和多样性的增长。 演化不一定就是进化，进化是一种具有特定方向的演化（上升的、从无序到有序、从低序到高序）。1、进 化序、有序和无序序排列，引申为一种规则的状态。 不仅表现为空间结构的某种规则性，而且反映了时间演化过程的某种规律性。有序自然系统内部各要素的空间位置呈现有规则排列，系统的变化过程有明显的周期性，系统的行为表现出一定的关联性。无序自然系统内部各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与无序的辩证关系 有序与无序是相对的，而不是绝对的。（没有绝对的有序，也没有绝对的无序，两者间没

20、有绝对分明的界限） 有序与无序在一定条件下相互转化。有序度： 任何系统都是有序和无序的不同程度的辩证统一，这种统一的不同程度，就构成了系统的一定秩序，即有序度。以 “熵” 来表示系统的无序程度自组织理论自组织（self-organization）系统通过一定的机制自行、自我组织起来的概念。组织组织化 被组织所谓自组织是指一个系统的要素按照彼此的相干性、协同性或某种默契而形成的特定结构和过程。（自组织过程所需要的信息来自系统自身而不是其外部）产生自组织的外部条件系统必须是开放的(必要条件)ds(系统的熵)=dis（系统自身的熵产生）+des（系统与环境的熵交换）如果ds增加了，那么系统走向无序，

21、反之，就是在走向有序ds(系统的熵)=dis（系统自身的熵产生）+des（系统与环境的熵交换）对于孤立系统ds=dis（只能走向无序）对于开放系统dis（非负值） des or0只有当： des 0且 dis时，有序状态才能维持和增加系统必须远离平衡态(充分条件)只有远离平衡态才能使原来的状态失稳，产生新结构系统内部必须存在非线性机制. 非线性机制非加和性是导致事物变化的内外因素相互连接和耦合而产生的综合效应。自组织演化的内在机制涨落与正反馈涨落刻划系统整体状态的宏观量对平均值的起伏或偏离。（随机出现，不可预测；决定着系统演化的方向）正反馈是一种关联放大的过程（导致突变）竞争与协同 竞争系统内

22、各要素相互争夺，力图取得支配和主导地位的活动与过程。协同系统中子系统或要素的联结、合作、协调与同步行为。（是系统整体性、相关性的内在根据） 竞争与协同是对立统一的，体现了矛盾的斗争性与同一性的辩证关系，是系统演化的内在动力。自组织演化的形式突变渐进过程的中断循环不是系统演化发展中的一种简单的复归超循环超循环理论 反应循环是一种相互关联的反应，其中某一步的产物正好是先前某一步的反应物。 催化循环以反应循环为子系统耦合而成的循环 超循环以催化循环为子系统，通过功能耦合而结合起来，形成更高一级的循环组织2、退化是指自然界物质系统演化趋势的另一种方向，是指物质系统自发地、不可避免地从高级运动形式转化为低级运动形式，由有序到无序、由高序到低序的趋势和过程。3、进化与退化的一般特点 自发性特点 稳定性重建的特点 离散性特点 进化与退化的统一性 进化与退化相互包含 进化与退化同生共存 进化与退化相互交替