自然辩证法专题三系统自然观.pptx

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1、 系统自然观第一节 系统自然观产生的现代自然科学基础第二节 自然界的系统存在方式第三节 自然界的演化第1页/共58页 20世纪的科学革命广泛而深刻：它发生在宇观（相对论）、宏观（分形理论、混沌理论等）、微观（量子力学、分子生物学等）三大层次。第2页/共58页 第一节 系统自然观产生的现代自然科学基础一、自然科学基础 世纪之交的物理学革命相对论、量子力学和分子生物学系统科学第3页/共58页（一）物理学新发现和物理学革命（一）物理学新发现和物理学革命1、物理学上空的“两朵乌云”“以太漂移”的否定结果：1887，M-M 黑体辐射和“紫外灾难”：1900，瑞利第4页/共58页 以太漂移以太漂移 187

2、61876年年-1879-1879年年间间，美美国国物物理理学学家家迈迈克克尔尔逊逊和和莫莫雷雷进进行行了了搜搜索索以以太太风风的的实实验验。他他们们设设想想，如如果果地地球球有有相相对对于于以以太太的的运运动动而而以以太太又又是是光光的的传传播播介介质质，那那么么光光顺顺着着以以太太的的方方向向运运动动到到一一定定距距离离再再沿沿逆逆着着以以太太方方向向运运动动到到原原点点的的时时间间，必必然然会会大大于于光光垂垂直直于于以以太太运运动动方方向向往往返返同同样样距距离离的的时时间间，就就好好像像游游泳泳时时顺顺流流逆逆流流各各游游相相等等距距离离的的时时间间必必然然大大于于等等距距离离往往返

3、返对对岸岸的的时时间间。多多次次实实验验并并没没有有找找到到以以太太风风或或地球相对于以太的相对运动地球相对于以太的相对运动。迈克尔逊第5页/共58页 黑黑体体辐辐射射：黑黑体体受受高高温温而而向向外外辐辐射。射。斯斯特特凡凡：黑黑体体辐辐射射的的总总能能量量与与他他的的绝绝对对温度的温度的4 4次方成正比。次方成正比。瑞瑞利利和和金金斯斯：瑞瑞利利-金金斯斯公公式式在在长长波波部部分分与与实实验验吻吻合合，在在短短波波部部分分，得得出出荒荒谬谬的的结结论论,即即当当辐辐射射的的波波长长无无限限小小时时可可以以获获得得无无限限大大的的能能量量，后后来来被被称为称为“紫外灾难紫外灾难”。第6页/

4、共58页 2 2、世纪之交物理学三大发现、世纪之交物理学三大发现 X射线：1895，（德）伦琴 放射性：1896，（法）贝克勒尔 电 子：1897，（英）汤姆逊贝克勒尔伦琴第7页/共58页 在今天，人们提出与昨天完全相反的主张。在这个时期，已经没有真在今天，人们提出与昨天完全相反的主张。在这个时期，已经没有真理的标准，也不知道科学是什么了，我很悔恨我没有在这些矛盾出现的五理的标准，也不知道科学是什么了，我很悔恨我没有在这些矛盾出现的五年前死去。年前死去。洛伦兹洛伦兹第8页/共58页（1）相对论）相对论爱因斯坦（Albert Einstein,18791955）1905年创立狭义相对论 两个基本

5、原理：爱因斯坦相对性原理 光速不变原理 时空观的变革：尺缩效应；钟慢效应；质增效应；质能关系式。3、物理学革命相对论、量子力学诞生第9页/共58页 根据科学家计算，当飞船速度达到每秒钟根据科学家计算，当飞船速度达到每秒钟299 900299 900千米时，飞船上的一米便千米时，飞船上的一米便只相当于地面上的只相当于地面上的0.020.02米，飞船上的一秒钟则相当于地面上的米，飞船上的一秒钟则相当于地面上的5050秒钟。秒钟。第10页/共58页 绝对的、真正的和数学上的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其它外界事物无关地流逝着；绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是

6、相同的和不动的。牛顿第11页/共58页19161916年，爱因斯坦建立年，爱因斯坦建立广义相对论广义相对论验证验证：水星轨道近日点的反常进动：水星轨道近日点的反常进动 在强引力场中光谱应向红端移动在强引力场中光谱应向红端移动 光线在引力场中发生偏转光线在引力场中发生偏转相对论否定了牛顿的绝对时空观，揭示了空间与时间、空间时间与物质及其运动、相对论否定了牛顿的绝对时空观，揭示了空间与时间、空间时间与物质及其运动、质量与能量之间存在的辩证关系。质量与能量之间存在的辩证关系。第12页/共58页（2）量子力学 普朗克（普朗克（Maz K.E.L.Planck,1858Maz K.E.L.Planck,

7、18581947 1947）19001900年年1212月月4 4日，日，关于正常光谱的能关于正常光谱的能量分布定律的理论量分布定律的理论，提出能量子基，提出能量子基本假设本假设量子力学诞生。量子力学诞生。量子力学标志了对量子力学标志了对微观世界微观世界认识的深认识的深入，揭示了崭新的、不同于宏观客体入，揭示了崭新的、不同于宏观客体规律的微观客体规律，阐明了连续性规律的微观客体规律，阐明了连续性与间断性、波动性与粒子性的辩证统与间断性、波动性与粒子性的辩证统一，凸现了量子（微观）世界的概率一，凸现了量子（微观）世界的概率随机性，打破了机械决定论的观念。随机性，打破了机械决定论的观念。第13页/

8、共58页量子力学的建立，使自然科学进展到了人类日常经验以外的微观世界，反映了人与自然相互作用的特征，表明人并不是在自然之外的独立存在者和观察者，而是作为自然的一部分参与自然现象的；表明人只有在同自然的相互作用中才能认识自然。第14页/共58页20世纪的生物学家致力于探索物种进化和遗传的机制，由于高分子化学的发展及其向生物学的渗透，以及X射线衍射和电子显微镜的发明与应用，科学家们开始在分子水平上研究生命物质及其功能，并建立了分子生物学。（二）分子生物学第15页/共58页 1953年，沃森等科学家在分析X射线衍线资料的基础上，建立了DNA分子的双螺旋结构模型。标志着分子生物学的诞生。将生物学的实验

9、水平推进到了大分子层次，并在生物大分子层次上阐明了自然界结构和生命活动的高度一致性。第16页/共58页沃森和克里克沃森和克里克:DNA双螺旋双螺旋结构结构分子生物的大生命观分子生物的大生命观第17页/共58页p 在在此此基基础础上上发发展展起起来来的的DNADNA重重组组技技术术（遗遗传传工工程程，19731973年年首首次次成成功功）、克克隆隆技技术术，表表明明现现代代生生命命科科学学已已经经发发展展到到足足以以改改造造人人类类自自身身、改改变变人人的的自自然然本本性性的的程程度度。人人参参与与、影影响自然进程的力量更强了响自然进程的力量更强了。p它表明，所有生物（包括非细胞生物病毒）都有着

10、共同的遗传物质核酸，而核酸也有共同的核苷酸链的分子结构和基本相同的遗传机制。第18页/共58页（三）、系统科学（三）、系统科学系统科学是研究系统的一般模式，结构和规律的学问，它研究各种系统的共同特征，用数学方法定量地描系统科学是研究系统的一般模式，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的科述其功能，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的科学。学。第19页/共58页贝塔朗菲（贝塔朗菲（1901190119721972）19371937年，提出了

11、一般系统论的初步框年，提出了一般系统论的初步框架架 19451945年在年在德国哲学周刊德国哲学周刊1818期上期上发表发表关于一般系统论关于一般系统论的文章，但的文章，但不久毁于战火，未被人们注意。不久毁于战火，未被人们注意。19471947年在美国讲学时再次提出系统论年在美国讲学时再次提出系统论思想。思想。19501950年发表年发表物理学和生物学中的开物理学和生物学中的开放系统理论放系统理论。19551955年专著年专著一般系统论一般系统论，成为该，成为该领域的奠基性著作。领域的奠基性著作。60607070年代受到人们重视。年代受到人们重视。19721972年发年发表表一般系统论的历史和

12、现状一般系统论的历史和现状，把一，把一般系统论扩展到系统科学范畴。般系统论扩展到系统科学范畴。第20页/共58页 1 1、贝贝塔塔朗朗菲菲一一般般系系统统论论：从从理理论论上上确确立立了了科科学学的的系系统统理理论论,使使科科学学从从研研究究孤孤立立的部分转向研究系统及其规律。的部分转向研究系统及其规律。现现实实世世界界是是一一个个自自组组织织的的由由实实体体构构成成的的递递阶阶秩秩序序结结构构，通通过过许许多多物物理理、化化学学系系统统的叠加就构成了生物和社会系统。的叠加就构成了生物和社会系统。不不能能把把分分割割的的部部分分的的行行为为拼拼加加成成整整体体，必必须须考考虑虑各各个个子子系系

13、统统和和整整个个系系统统之之间间的关系才能了解各部分的行为和整体。的关系才能了解各部分的行为和整体。系统具有整体性、关联性、动态性、有序性、目的性等特性。系统具有整体性、关联性、动态性、有序性、目的性等特性。第21页/共58页2、美国维纳创立控制论（20世纪3040年代）：概念：目的、行为、控制、反馈、通讯、信息、输入、输出；控制原理：控制论系统模型即输入输出反馈控制模型；系统科学和系统自然观理论建构的基本框架和模型。第22页/共58页3 3、信信息息学学的的产产生生（2020世世纪纪中中叶叶）：信信息息学学是是关关于于系系统统的的信信息息传传递递和和处处理理的科学理论。的科学理论。19481

14、948年年，申申农农发发表表了了通通信信的的数数学学理理论论，宣宣告告了了信信息息论论的的诞诞生生。申申农农的的信信息息论论提提炼炼出出了了包包括括信信源源、信信宿宿、信信道道的的信信号号传传输输的的普普适适模模型型，定定义义了了信信息息量量，提提出出了了信信源源编编码码定定理理等等重重要要定定理理，为为一一般般意意义义上上的的信信息息传传输输奠奠定定了了理论基础。理论基础。19481948年年，第第一一台台计计算算机机在在美美国国诞诞生生。计计算算机机的的诞诞生生意意味味着着人人工工信信息息系系统统的的出出现现，它它也也反反映映了了人人类类对对系系统统的的信信息息处处理理本本质质的的更更深深

15、刻刻认认识识，同同时时也也表表明明信息科学有了一种技术表现形式。信息科学有了一种技术表现形式。第23页/共58页4 4、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、复复杂杂性性问问题题进进行行了了更更广广泛泛深深入入的的研究研究。哈肯研究了多组分大系统怎样由无序态，经过其中的子系统的合作运动，转变为有序结构，建立了协同学（1969）。艾根提出的超循环论，揭示了生物大分子形成的自组织形式，架设了从无生命向生命过渡的桥梁。普利高津提出了以耗散结构为核心的系统自组织理论。第24页/共58页系统科学的研究主要体现在以下三个方面系统科学的研究主要体现在以下三个方面

16、对生命系统的研究产生的一般系统论对生命系统的研究产生的一般系统论对技术科学研究产生的控制论、信息论和系统工程；对技术科学研究产生的控制论、信息论和系统工程；对非生命系统的研究产生的非平衡理论；对非生命系统的研究产生的非平衡理论；第25页/共58页系统自然观的形成系统自然观的形成在以上的科学发展的背景下，人们开始从在以上的科学发展的背景下，人们开始从研究实体转向研究关系研究实体转向研究关系，从，从研究个体结构研究个体结构转向研究系统功能转向研究系统功能，提出一系列整体的、综合的，提出一系列整体的、综合的系统方法和系统观念系统方法和系统观念，并逐渐地将，并逐渐地将其上升到更具普遍性的哲学层面，用其

17、去考察整个自然界和社会。其上升到更具普遍性的哲学层面，用其去考察整个自然界和社会。第26页/共58页系统自然观的意义系统自然观的意义丰富和发展辩证唯物主义自然观；丰富和发展辩证唯物主义自然观；提供了系统的思维方式；提供了系统的思维方式；第27页/共58页系统自然观的基本内涵系统自然观的基本内涵见教材P4749揭示了自然系统是存在与演化的统一；确定性与随机性的统一；简单性与复杂性的统一；线性和非线性的统一；第28页/共58页一、自然界系统的普遍性一、自然界系统的普遍性 自然界的物质性主要回答存在着的自然界的物质性主要回答存在着的“是什么是什么”的问题；的问题；“如何存在如何存在”由由系统方式和运

18、动形式来回答。系统方式和运动形式来回答。物质普遍联系的基本形式物质普遍联系的基本形式系统系统 第二节 自然界的系统存在方式第29页/共58页 何为系统何为系统?恩格斯：我们面对着的整个世界形成一个体系，即各种物体相互联系的总体。我们面对着的整个世界形成一个体系，即各种物体相互联系的总体。贝塔朗菲：处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各组成部分（要素）的总体。处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各组成部分（要素）的总体。钱学森：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体，由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体，且此系统本身又是它所从属更大系统的

19、组成部分。且此系统本身又是它所从属更大系统的组成部分。第30页/共58页系统：系统：由若干相互联系、相互作用的要素组成的具有特定功能的有机整体由若干相互联系、相互作用的要素组成的具有特定功能的有机整体。第31页/共58页2）系统的要素间存在着特定的关系，形成一定的结构1）系统是由若干要素组成的3）系统的结构使系统成为一个有特定功能的整体4）功能在系统与外部环境的相互作用中表现出来，系统总存在是一定环境中1、如何理解系统概念？第32页/共58页 要素、结构、功能和环境，是一个系统所必须的规定。系统的功能依赖于其要素、结构和环境。要素性要素、结构、功能和环境，是一个系统所必须的规定。系统的功能依赖

20、于其要素、结构和环境。要素性质的变化、结构的变化、环境条件的变化，都会影响系统的功能表现。质的变化、结构的变化、环境条件的变化，都会影响系统的功能表现。第33页/共58页 自然界的一切物质客体都是系统，都是由其内部若干要素按一定规则相互联系、自然界的一切物质客体都是系统，都是由其内部若干要素按一定规则相互联系、相互依赖而组成的、具有确定功能的相对独立的系统。因此，相互依赖而组成的、具有确定功能的相对独立的系统。因此，系统是自然界物质的系统是自然界物质的普遍的存在方式。普遍的存在方式。第34页/共58页2）开放性：与环境自由地进行物质、能量、信息交换2、自然界物质系统的基本特点1）整体性：整体大

21、于它的各部分的总和3）动态性：运动、变化、发展4）层次性第35页/共58页 系统具有其要素所没有的新性质、功能和规律，处于系统中的要素的性质、功能和规律不同于它们在孤立状态时的性质、功能和规律。1）整体性：整体大于它的各部分的总和第36页/共58页“譬如一只手，如果从身体上割下来，按照名称虽仍然可叫做手，但按照实质来说，已不是手了。譬如一只手，如果从身体上割下来，按照名称虽仍然可叫做手，但按照实质来说，已不是手了。”“只有作为有机体的一部分，手才获得它的地位。只有作为有机体的一部分，手才获得它的地位。”黑格尔黑格尔第37页/共58页 著名桥梁专家茅以升说过：著名桥梁专家茅以升说过：“并不如加，

22、如果每天有小时学习，来改变不懂科学，生产效率低并不如加，如果每天有小时学习，来改变不懂科学，生产效率低的状况，企业领导者就会发现，这正是一种投资，决不是浪费。的状况，企业领导者就会发现，这正是一种投资，决不是浪费。”第38页/共58页自然系统具有物质、能量、信息“三要素”。孤立系统同环境没有物质、能量交换的系统。封闭系统同环境只有能量交换而没有物质交换的系统。开放系统同环境既有物质又有能量交换的系统。开放系统是“活系统”，孤立系统是“死系统”。自然界的绝大部分子系统都是开放系统。2）开放性：与环境自由地进行物质、能量、信息交换第39页/共58页 开放的自然系统都是运动、变化、发展的，都有一个孕

23、育、产生、发展、成熟、消亡的过程，这是由物质存在的根本方式（运动）和物质系统的开放性决定的。3）动态性：运动、变化、发展第40页/共58页 4）层次性系统由一定的要素构成，要素则是由更小的其它要素构成子系统，系统自身又是更大系统的组成要素。拉兹洛：“自然界的组织结构就像一座复杂的、多层的金字塔，在它的底部是许多相对简单的系统，在它的顶部是几个（极顶是一个）复杂的系统。所有自然的系统占据了这些界限之间的位置；它们同上面和下面的层次连接在一起。就它们的组成部分来说，它们是整体，但就更高层次的整体来说，它们又是部分。”第41页/共58页总星系星系团星系恒星行星地面上的宏观物体分子原子原子核（基本）粒

24、子夸克非生命世界物质系统的层次宇观宏观微观第42页/共58页（a a）微观领域微观领域：原子物理学、核物理学、量子物理学等；：原子物理学、核物理学、量子物理学等；（b b）宏观领域宏观领域：经典物理学、麦克斯韦电磁理论、热力学等；：经典物理学、麦克斯韦电磁理论、热力学等；（c c）宇观领域宇观领域：广义相对论、星系动力学和宇宙学等。：广义相对论、星系动力学和宇宙学等。第43页/共58页生物圈生态系统生物群落种群生物个体系统器官组织细胞生物大分子生命世界的基本物质系统层次第44页/共58页层次结构的结合能与层次尺度成反比的规律：层次结构的结合能与层次尺度成反比的规律：随着层次由低到高推进，系统要

25、素结合的紧随着层次由低到高推进，系统要素结合的紧密程度由大到小而递减密程度由大到小而递减。将夸克结合为基本粒子的力量很强（结合能为105106eV），原子间的结合能为100101eV，分子间的结合能为10-210-1eV第45页/共58页第三节第三节 自然界的演化自然界的演化p自然系统演化的基本方式自然系统演化的基本方式p自然物质演化的自组织机制自然物质演化的自组织机制第46页/共58页二、自然系统演化的基本方式二、自然系统演化的基本方式分叉分叉：稳定性和不稳定性；：稳定性和不稳定性；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；“内在随机性内在随机性”：确定性和随机性；

26、确定性和随机性；（见教材（见教材P62P626565）第47页/共58页三、三、自然物质演化的自组织机自然物质演化的自组织机制制系统自己走向有序结构就可称为系统自己走向有序结构就可称为自组织自组织，依靠外部指示组织起来的行为称为，依靠外部指示组织起来的行为称为“他他组织组织”。自组织理论从自组织理论从1968年普里高津的耗散结构理论开始，包括协同学、超循环理论、年普里高津的耗散结构理论开始，包括协同学、超循环理论、突变理论、混沌动力学、非线性科学等。突变理论、混沌动力学、非线性科学等。自然界的系统演化，自然事物的结构的形成和有序化都是自组织的过程。自然界的系统演化，自然事物的结构的形成和有序化

27、都是自组织的过程。自组织现象普遍地存在于自然界之中。自组织现象普遍地存在于自然界之中。第48页/共58页1）开放性、远离平衡态，是系统演化的基本条件；2）系统中的非线性相互作用是系统进化的基本根据3）内部涨落是系统进化的直接诱因：“生序原理”自组织实现的条件：第49页/共58页 根据热力学第二定律，孤立系统只能自发地走向无序（熵增大）。开放系统则不然。可见，演化的系统必须是一个开放系统，即系统内外环境之间要有物质、能量、信息的交换与流通，且必须是系统从外部输入的负熵流绝对值大于系统内部的熵产生，从而使系统的熵逐步减小。1）开放性、远离平衡态，是系统演化的基本条件；第50页/共58页 远离平衡的

28、状态也是系统进化的必要条件。因为近平衡态系统是稳定的，即便是开放的，它受到扰动后也会回到平衡态。所以，普里高津说：“非平衡是有序之源”。只有非平衡态才能导致有序，形成稳定的有序结构。第51页/共58页相互作用可分为简单的线性相互作用和复杂的非线性相互作用。系统的结构（有序性）根源于（要素间的、系统与环境的）相互作用。2）系统中的非线性相互作用是系统进化的基本根据第52页/共58页线性相互作用（linear interaction）：相互作用的要素的量之间有比例关系，各个作用是彼此独立的，其作用可以叠加，结果是稳定的、必然的。对线性系统而言，整体等于各部分之和。线性相互作用只能导致量的增长，不能

29、导致新质的突现。第53页/共58页相互作用的要素的量之间没有比例关系，各量变化不均匀，各个作用彼此相干或交叉，叠加原理失效，结果是随机的、多元的。非线性相互作用（nonlinear interaction第54页/共58页非线性相互作用规定了系统演化的可能方向或道路，但系统在什么时候、出现什么样的有序结构，是由内部涨落最终决定的。3）内部涨落是系统进化的直接诱因：“生序原理”普利高津：“在非平衡过程中涨落决定全局的结果”，“通过涨落达到有序”。第55页/共58页 “蝴蝶效应”是气象学家洛伦兹1963年提出来的。其大意为：一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可能两周后在美国德克萨斯引起一场龙卷风。其原因在于：蝴蝶翅膀的运动，导致其身边的空气系统发生变化，并引起微弱气流的产生，而微弱气流的产生又会引起它四周空气或其他系统产生相应的变化，由此引起连锁反应，最终导致其他系统的极大变化。“蝴蝶效应”第56页/共58页 第57页/共58页感谢您的观看！第58页/共58页