3三自然界的系统演化.ppt

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1、1可逆与不可逆如果系统从某一状态变到另一状态后，能够再回复到原来的状态，并且同时使系统的环境也回复到原状，这样的过程就是可逆过程。二自然界的系统演化（一）可逆性与不可逆性（是否有时间箭头)2自然界的演化过程是可逆还是不可逆的？自然界的演化过程是可逆还是不可逆的？存在物理学与演化物理学存在物理学：时间是从外部描述运动的一个参量，它的变化并不影响运动的性质，因而也无法从运动性质来判别时间。如牛顿力学、相对论、量子力学F=mdr/dt把tt，方程形式不变，对时间反演对称，意味时间无方向性演化物理学：时间不再是描述系统运动的外在参量，而是和系统的演化相联系的，从而是有物理内容的时间。热力学中的傅立叶方

2、程T(xt)t=-T(xt)x把tt，方程形式变化，时间反演不对称或对称性破缺，意味时间方向性 在在科科学学史史上上，有有许许多多科科学学家家都都把把不不可可逆逆性性看看作作是是近似的结果，或看作主体观点向物理世界的入侵。近似的结果，或看作主体观点向物理世界的入侵。例例如如，爱爱因因斯斯坦坦认认为为，不不可可逆逆性性只只是是一一种种幻幻觉觉，一一种种主主观观印印象象，他他说说：“在在物物理理学学的的基基本本定定律律中中没没有有任任何何不不可可逆逆性性，你你必必须须接接受受这这样样的的思思想想：主主观观的的时时间间，连连同同它它对对现现在在的的强强调调，都都是是没没有有任任何何客客观观意意义义的

3、的。”“就就我我们们这这些些受受人人们们信信任任的的物物理理学学家家而而言言，过过去去、现现在在和和将将来来之之间间的的区区别别只只是是一一种种幻幻觉觉，然然而而，这这种种区区别别依依然然持持续续着着。”玻玻恩恩也也曾曾经经断断言言：“不可逆性是无知介入物理学基本定律的后果。不可逆性是无知介入物理学基本定律的后果。”我们越是深入地分析时间的自然性质,我们就越加懂得时间的延续性意味着发明,就意味着新形式的创造,就意味着一切新鲜事物连续不断地产生.普里高津 实际上，自然界根本没有绝对的、无实际上，自然界根本没有绝对的、无条件的可逆变化，可逆只是一种理想化条件的可逆变化，可逆只是一种理想化的产物，是

4、在略去某些变化不计的情况的产物，是在略去某些变化不计的情况下的一种科学抽象。下的一种科学抽象。例如，只有忽略掉磨擦，才有理想的单摆，例如，只有忽略掉磨擦，才有理想的单摆，只有忽略其他天体对地球的影响，以及地球本只有忽略其他天体对地球的影响，以及地球本身的复杂性，才有严格周期性的地球公转；只身的复杂性，才有严格周期性的地球公转；只有忽略掉热的耗散，才有理想的卡诺循环。有忽略掉热的耗散，才有理想的卡诺循环。但对于具体的过程来说，不可逆过程也但对于具体的过程来说，不可逆过程也往往包含着某些可逆的因素往往包含着某些可逆的因素 功热转化在能量品位上是不可逆的，但转功热转化在能量品位上是不可逆的，但转化能

5、力却有可逆性；化学反应在总体上是化能力却有可逆性；化学反应在总体上是不可逆的，但生成物依然可以复原为反应不可逆的，但生成物依然可以复原为反应物；生长发育和衰老是不可逆过程，但机物；生长发育和衰老是不可逆过程，但机体的协调性和组织性却经历着由低到高和体的协调性和组织性却经历着由低到高和由高到低的过程由高到低的过程 也许是基于这种考虑，普里戈津强调，无也许是基于这种考虑，普里戈津强调，无论可逆或不可逆都不是唯一普适的过程，论可逆或不可逆都不是唯一普适的过程，在一个多元化的世界中，可逆性与不可逆在一个多元化的世界中，可逆性与不可逆性是并存于现实之中的。因此，对我们来性是并存于现实之中的。因此，对我们

6、来说，重要的不是找出简单纯粹的可逆性与说，重要的不是找出简单纯粹的可逆性与不可逆性，而是要探讨现实事物中究竟包不可逆性，而是要探讨现实事物中究竟包含哪些可逆与不可逆的因素，它们对物质含哪些可逆与不可逆的因素，它们对物质世界的演化发展起着怎样的作用。世界的演化发展起着怎样的作用。（二）自然界演化的方向性：进化或退化1概念进化一般是指物质客体演化中由无序到有序、由低序到高序的趋势和过程或复杂性和多样性的增长。退化般是指物质客体演化中由有序到无序、由高序到低序的趋势和过程。序是对系统内部各要素之间的联系及演化过程性质的描述，它表征着系统的组织程度。度量参量：熵、信息量、序参量热力学对演化过程的揭示：

7、卡诺原理：温度均衡过程必导致做功可能性的丧失热力学第二定律：汤姆逊：不能从单一热源取热全部转化为功而不产生其它影响。克劳修斯：热不可能从低温物体流向高温物体而不产生其它影响2科学理论对时间箭头指向的回答可可以以证证明明，只只要要有有热热量量从从高高温温物物体体流流向向低低温温物物体体，系系统统的的熵熵就就会会增增加加。熵熵的的变变化化就就成成为为可逆过程与不可逆过程差异的一种判据。可逆过程与不可逆过程差异的一种判据。用熵表述为：一个孤立系统的熵总趋于增大（熵增定律）用熵表述为：一个孤立系统的熵总趋于增大（熵增定律）熵：本义是表征系统的状态宏观意义表征系统能量分布的均匀程度（能量平均状态是熵值达

8、到最大的状态）微观意义表征系统内部粒子的无序程度考察热力学能量从有效到无效状态的转化从较高集中程度向较低集中程度的转化从有序状态向无序状态的转变熵的概念使熵的概念使热力学第二定律超出于热力学被出于热力学被推广到更加广泛的领域。推广到更加广泛的领域。熵理论在物理学中第一次真正触及到自然界发展的不可逆性问题熵理论运用于整个宇宙，提出以熵理论为基础的宇宙理论。赫尔姆霍兹提出宇宙热寂说：宇宙不断变冷（或热），所有有用的能量最后都转化为热，宇宙最终要处于温度均匀的状态，所有的自然过程都将停止。宇宙的热寂相当于永恒的宁静。一旦宇宙达到热寂，宇宙将呈现一幅惨淡的景象能量在那里还是有的，但它已经丧失了它全部的

9、转化能力，它已经不能迫使宇宙工作，我们将停留在死寂的但可能是温暖的宇宙中。琼斯在一个非常真实的意义上，我们都是这个在劫难逃的星球上的失事船只中的旅客。-维纳生物进化论的演化方向：从简单到复杂对热力学第二定律与生物进化论的矛盾的解决麦克斯韦妖的提出试图解决两者的矛盾齐拉德证明妖是一个有智力的存在物，妖的能力的获得涉及信息的交换、传递和熵的变化提出负熵的概念薛定谔：一个开放系统，能够不断的从外界获得并积累能量，即能产生负熵。有机体如此dS=deS+diS式中，deS称熵流，可为正，也可为负，也可为零，diS是内部的熵产生，这部分绝对不会为负，即diS0。孤立系统des0，dsdis0，熵增封闭系统

10、des0，ds0，熵增开放系统des0，且desdis，则ds0熵减耗散结构理论在自然界中进化和退化这两种演化方向都存在它们都具有一定的普遍性，但都不是唯一普适的现象。3进化和退化的统一性进化与退化相互包含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。进化与退化同存共生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。进化与退化的相互交替进化与退化往往是交替进行相互转化的。进化过程在一定条件下会转入退化。退化过程在一定条件下也可以转入进化。世界图景的多元格局无时间性图景有时间性图景向高熵发展向低熵发展 近近代代形形而而上上学学自自然然观观

11、极极力力把把自自然然界界描描述述为为一一架架机机器器，靠靠“第第一一次次推推动动”开开始始运运转转，其其发发生生和和发发展展的的根根据据和和动动力力都都是是在在外外部部，没没有有外外来来动动力力它它根根本本不不会会发发生生变变化化。如如果果自自然然界界的的演演化化是是他他组组织织的的，如如果果自自然然界界的的各各种种物物质质系系统统的的形形成成是是外外界界强强加加给给自自然然界界的的，那那就就必必然然会会追追溯溯到到“全全知知全全能能的的上上帝帝”，乞乞灵灵于于神神明明的的主主宰宰了了。而而辩辩证证唯唯物物主主义义自自然然观观则则认认为为，自自然然界界的的演演化化是是“自自己己运运动动”的的结

12、结果果，是是事事物物的的自自身身矛矛盾盾的的表表现现，自自组组织织性性是是自自然然界界各各种种演演化化过过程程的的本本质质属属性性。正正是是在在这这一一点点上上，两两种种演演化化观观形形成了明显的分野。成了明显的分野。（三）自然演化的自组织机制 非平衡自组织理论关于系统走向有序即系统形成有序结构的根据和条件的论述，对于理解一般进化的条件是极有意义的耗散结构理论形成的条件(1)系统处于远离平衡的状态。(2)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，并且必须使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（3）形成有序结构的各要素之间存在

13、着非线性的相互作用。这种相互作用使各要素间产生l相干效应与协调动作，从而可以使系统从杂乱无章变为井然有序。l分支效应使系统产生多个可能的分支在一个确定参量下，线性方程只有一个特解，非线性方程在一个确定的参量下，可以同时有多个特解，对应于系统的多个定态l产生临界效应(4)涨落是系统进化的诱因涨落是系统进化的诱因 非非线线性性相相互互作作用用使使系系统统演演化化产产生生多多个个可可能能的的分分支支，面面临临多多向向选选择择，那那么么，怎怎样样才才能能完完成成对对不不同同演演化化途途径径的的选选择择，究究竟竟哪哪一一种种演演化化途途径径才才能能成成为为现现实实？这这关关键键的的一一步步是是通通过过随

14、随机机的的涨涨落落来完成的。来完成的。所所谓谓涨涨落落，是是指指系系统统中中某某个个变变量量或或行行为为对对统统计平均值的偏离。计平均值的偏离。系统中存在涨落是不可避免的，它是一系统中存在涨落是不可避免的，它是一切实际系统固有的特征。切实际系统固有的特征。比比如如流流体体中中液液滴滴的的随随机机运运动动；原原子子的的受受激激跃跃迁迁和和自自发发辐辐射射；反反应应物物浓浓度度的的随随机机波波动动等等。这这些些涨涨落落可可由由系系统统内内部的不规则运动引起，也可由环境不可控的干扰引起。部的不规则运动引起，也可由环境不可控的干扰引起。“涨落导致有序涨落导致有序”涨落所起的作用与系统所处的状态有关。涨

15、落所起的作用与系统所处的状态有关。当当系系统统处处于于稳稳定定时时，涨涨落落还还仅仅仅仅是是一一些些小小的的干干扰扰而而已已，它它会会由由于于系系统统自自身身的的抗抗干干扰扰能能力力而而逐逐步衰减，从而使系统回到原来的状态。步衰减，从而使系统回到原来的状态。但但是是，如如果果系系统统处处于于远远离离平平衡衡的的不不稳稳定定态态，即即在在临临界界点点附附近近，微微小小的的涨涨落落才才会会得得以以放放大大，变变成成具具有有宏宏观观尺尺度度的的“巨巨涨涨落落”，从从而而使使系系统统一一下下子子跃跃迁迁到到一一个个新新的的有有序序状状态态，这这就就是是“涨涨落落导导致致有序有序”的情况。的情况。“涨落

16、导致有序涨落导致有序”的这种作用表明了进的这种作用表明了进化是一个偶然性与必然性相互影响的过程。化是一个偶然性与必然性相互影响的过程。在在靠靠近近临临界界点点的的地地方方，系系统统呈呈现现出出很很大大的的起起伏伏，系系统统好好象象在在各各种种可可能能的的演演化化方方向向之之间间“犹犹豫豫不不决决”。一一个个小小的的起起伏伏可可以以引引起起一一个个新新的的变变化，它将剧烈地改变宏观系统的整个行为。化，它将剧烈地改变宏观系统的整个行为。（5）正反馈推动系统走向有序。负反馈往往会使系统的变化衰减，而正反馈则会使系统的变化被放大和加剧，从而推动系统的质变，加速系统自复制自组织的过程，使要素微观协同产生

17、出宏观秩序。耗散结构机理图结构功能涨落非平衡自组织理论的这些成果，对如何一般地理解进化的条件和根据提供了有益启示系统中的相互作用是系统进化的基本根据外部获得物质和能量是系统进化的基本条件内部涨落是系统进化的直接诱因在与环境的交换中，通过自组织形成耗散结构，即远离平衡的非线性区形成的，并且以能量的耗散来维持自身稳定性的，不以外界的微小扰动而消失的稳定的宏观有序结构。如贝纳德花纹耗散结构：退化是物质系统演化的另一种方向和趋势。系统为什么退化？这同样是所有演化理论应该回答的一个问题。关于孤立系统的退化，显然可以用熵增规律进行解释。但是，关于开放系统的退化又如何解释呢？当代混沌学、非线性科学等系统科学

18、的研究，为我们了解从有序向无序的转化开启了一个窗口。通往混沌的道路 一个非线性系统从有序态通往混沌的道路有许多条，目前研究得比较充分的主要有以下三条：（1）倍周期分岔 系统运动变化的周期行为是一种有序状态。但在一定条件下，系统经过周期加倍，会逐步丧失周期行为而进入混沌。0N混混 沌沌 区区（2）阵发混沌 阵发混沌是指系统从有序向混沌转化时，在非平衡非线性的条件下，某些参数的变化达到一定的阈值时，系统就会出现时而有序、时而混沌的随机振荡。有关参数继续变化，整个系统会由阵发混沌进入完全的混沌。阵发混沌是非平衡过程进入混沌的又一条道路。（3）茹勒泰肯道路当系统内有不同频率的振荡互相耦合时，系统就会出

19、现新的耦合频率的运动。混沌状态可以看做有无穷多个频率耦合的振动现象，而这无穷多个频率耦拿振现象的出现，并不需要一个数量上的累积叠加。实际过程是，只要系统出现了三个互不相关的频率耦合时，系统就必然形成无穷多个频率的耦合。所谓茹勒泰肯道路，就是指只要系统有三个以上的频率互相耦合时，系统就出现混沌的现象。（四）自然系统演化的基本方式1分叉：稳定性和不稳定性无论进化或退化，都显现为从一种稳定性向另一种稳定性性的运动，新的稳定性是在旧的稳定性失稳，系统瓦解后，重新建立起来的。2突现：突发性、间断性和不可预测性分叉理论说明，在演化过程中，从原有的稳定态向新的稳定态过渡，在时间轴上是一个点或一个极小的区域，也就是以突变的方式发生的。3“内在随机性”：确定性和随机性（必然性和偶然性）（五）（五）自然界循环发展的无限性1恩格斯关于物质永恒循环的思想量和质两个方面去把握运动转化的守恒性。2自组织和混沌理论3现代宇宙学对宇宙未来演化趋势的推断 46宇宙热寂说：宇宙不断变冷（或热），所有有用的能量最后都转化为热，宇宙最终要处于温度均匀的状态，所有的自然过程都将停止。