《系统自然观》PPT课件

2 本 讲 内 容 自 然 界 的 物 质 性 自 然 界 的 系 统 性 自 然 界 的 层 次 性 自 然 界 的 演 化 过 程 自 然 界 的 演 化 方 式 自 然 界 的 演 化 方 向 3 自 然 界 的 物 质 性 4 阿那克西美尼 德 莫 克 利 特 关 于 物 质 的 概 念 可 以 追 溯 到 古 代 人 们 对 自 然 界 本 原 的 理 解 。近代形而上学唯物主义 5 “物 质 是 标 志 客 观 实 在的 哲 学 范 畴 ， 这 种 客 观 实在 是 人 通 过 感 觉 感 知 的 ，它 不 依 赖 于 我 们 的 感 觉 而存 在 ， 为 我 们 的 感 觉 所 复写 、 摄 影 、 反 映 。 ” 列 宁 列 宁 像 6 n 以 空 间 尺 度 为 标 准 ， 自 然 界 的 物 质 形 态 可 分 为 宇 观 、宏 观 和 微 观 三 个 领 域 。 宇 观 领 域 有 亿 万 天 体 构 成 的天 体 系 统 ， 宏 观 领 域 有 生 命 物 质 和 非 生 命 物 质 ， 微观 领 域 则 有 350种 左 右 的 基 本 粒 子 。n 以 物 质 的 聚 积 状 态 为 标 准 ， 通 常 把 各 种 物 质 形 态 归结 为 三 态 ： 固 态 、 液 态 和 气 态 。 但 这 只 是 地 球 上 人们 经 常 接 触 的 物 质 形 态 。 在 认 识 宇 宙 的 过 程 中 ， 人们 接 触 更 多 的 则 是 下 面 的 物 质 形 态 ： 等 离 子 态 和 超固 态 。 此 外 ， 有 人 主 张 物 质 的 聚 积 状 态 除 了 上 述 五种 形 态 外 还 有 第 六 态 真 空 场 ， 第 七 态 反 物质 ， 第 八 态 暗 物 质 。 7 n 自 然 界 万 物 在 化 学 元 素 上 具 有 统 一 性 。n 自 然 界 物 质 形 态 在 基 本 粒 子 上 具 有 统 一 性 。n 自 然 界 各 种 物 质 形 态 之 间 在 相 互 联 系 、 相 互转 化 方 面 具 有 统 一 性 。n 实 物 和 场 之 间 也 是 相 互 联 系 、 相 互 转 化 的 。 8 n 为 什 么 简 单 的 、 低 层 次 的 物 质 组 合 起 来 就 可以 形 成 复 杂 的 、 高 层 次 的 物 质 ？ 为 什 么 低 层次 物 质 仅 仅 是 不 同 的 排 列 组 合 或 数 量 增 减 就能 产 生 诸 如 放 射 现 象 、 不 可 逆 现 象 以 及 自 我选 择 、 自 我 繁 衍 和 自 由 意 志 等 低 层 次 物 质 所不 具 有 的 复 杂 而 多 样 的 属 性 呢 ？ 9 自 然 界 的 系 统 性 10 n 所 谓 系 统 ， 是 指 由 若 干 相 互 联 系 、 相 互 作 用 的要 素 组 成 的 具 有 特 定 结 构 与 特 定 功 能 的 有 机 整体 。 它 包 括 以 下 几 层 涵 义 ： 系 统 是 由 （ 至 少 两 个 ） 要 素 组 成 的 ， 离 开 了 要素 就 谈 不 上 系 统 ， 单 个 要 素 也 不 能 构 成 系 统 ； 要 素 与 要 素 之 间 不 是 胡 乱 的 堆 积 ， 而 是 存 在 着相 互 依 赖 和 相 互 作 用 的 有 机 联 系 ； 要 素 之 间 的 有 机 联 系 使 它 们 形 成 了 特 定 的 整 体结 构 并 产 生 了 适 应 环 境 的 特 定 功 能 。 11 n 一 个 物 质 客 体 ， 如 果 它 的 组 成 部 分 之 间 没 有 相 互 作用 和 相 互 联 系 ， 那 么 这 个 客 体 就 缺 少 整 体 性 ， 即 整体 不 具 有 原 则 上 区 别 于 其 部 分 的 新 质 ， 因 而 这 个 物质 客 体 也 就 不 是 系 统 ， 而 只 是 一 个 堆 积 物 。n 但 是 ， 堆 积 物 这 种 非 系 统 方 式 只 不 过 是 系 统 方 式 的极 限 情 况 。 因 为 内 部 完 全 没 有 相 互 作 用 ， 整 体 等 于部 分 之 和 的 纯 粹 堆 积 物 实 际 上 是 不 存 在 的 。 即 使 一堆 瓦 砾 也 可 以 看 做 一 个 系 统 ， 因 为 这 堆 瓦 砾 具 有 大量 的 压 力 关 系 、 引 力 关 系 。 因 此 ， 自 然 界 的 一 切 物质 客 体 都 是 系 统 ， 系 统 是 自 然 界 的 普 遍 存 在 方 式 。 12 n 从 系 统 与 环 境 的 关 系 分 ： 孤 立 系 统 、 封 闭 系 统 、 开 放系 统 。n 从 系 统 内 发 生 的 实 际 过 程 分 ： 物 理 系 统 、 化 学 系 统 、生 命 系 统 。n 从 人 对 自 然 物 的 参 与 程 度 分 ： 天 然 系 统 、 人 工 系 统 、复 合 系 统 。n 从 系 统 内 各 要 素 相 互 作 用 的 特 点 分 ： 线 性 系 统 、 非 线性 系 统 。n 从 人 对 自 然 物 的 认 识 程 度 分 ： 黑 系 统 、 白 系 统 、 灰 系统 。n 从 系 统 所 处 的 状 态 分 ： 处 于 平 衡 态 的 系 统 ， 处 于 近 平衡 态 的 系 统 ， 远 离 平 衡 态 的 系 统 。 13 ： 系 统 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 。 ： 系 统 的 要 素 与 要 素 之 间 、 要 素 与 整体 之 间 存 在 着 相 互 联 系 和 相 互 作 用 。： 系 统 的 要 素 与 要 素 之 间 的 相 互 联 系和 相 互 作 用 遵 循 着 某 种 规 则 。： 系 统 能 够 自 我 发 动 ， 把 分 散 的 要素 统 一 起 来 形 成 系 统 。 14 自 然 界 的 层 次 性 15 n 所 谓 层 次 ， 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 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 性 体 现 了 物 质 系 统 的 纵 向 联 系 。n 层 次 结 构 具 有 两 个 特 点 ： 其 一 ， 低 层 系 统 对 高层 系 统 具 有 构 成 性 关 系 ， 高 层 次 系 统 对 低 层 次系 统 具 有 包 含 关 系 ； 其 二 ， 同 一 层 次 的 系 统 之间 存 在 相 干 关 系 。 16 n生命系统的层次结构 生 物 大 分 子 细 胞 组 织 器 官 系 统 生 物个 体 种 群 生 态 系 统 生 物 圈n非生命系统的层次结构 夸 克 基 本 粒 子 （ 强 子 ） 原 子 核 原 子 分子 地 面 上 的 宏 观 物 体 行 星 （ 包 括 卫 星 ） 恒 星 星 系 星 系 团 总 星 系 17 n 结 合 能 是 指 物 质 粒 子 结 合 成 一 个 系 统 时 所 放出 的 能 量 ， 它 反 映 了 系 统 内 要 素 之 间 结 合 的紧 密 程 度 。 一 般 来 说 ， 层 次 越 深 ， 尺 度 越 小 ，结 合 能 越 大 ， 越 不 容 易 分 离 ， 因 而 该 层 次 的物 质 系 统 就 越 稳 定 。 这 就 是 为 什 么 感 冒 发 烧的 温 度 足 以 杀 死 我 们 体 内 的 细 菌 却 不 能 同 时分 解 体 内 的 高 分 子 的 原 因 ， 也 是 为 什 么 破 坏一 个 原 子 核 只 有 在 高 能 加 速 器 中 才 能 做 到 的原 因 。 18 概 率 选 择n问题： 为 什 么 系 统 的 演 化 不 是 从 最 简 单 的 元 素 直 接 聚合 为 复 杂 的 系 统 ， 而 是 以 层 次 为 中 间 过 度 形 式 层 层 推 进的 呢 ？n西蒙的论证： 假 定 甲 乙 二 人 都 用 1000个 零 件 组 装 钟表 ， 每 装 100个 零 部 件 有 一 次 受 干 扰 的 机 会 使 组 装 工作 必 须 从 头 再 来 。 甲 分 三 层 进 行 组 装 ， 每 个 部 件 由 10个 零 件 组 装 而 成 ， 他 必 须 完 成 111个 分 部 组 件 。 而 乙不 分 层 ， 一 气 呵 成 ， 直 接 将 1000个 零 件 组 装 成 钟 表 。西 蒙 通 过 概 率 计 算 得 到 结 果 ： 乙 完 成 一 只 钟 表 所 需 的 时间 平 均 为 甲 的 4000倍 。 西 蒙 由 此 得 出 结 论 ： 演 化 过 程中 产 生 多 层 次 的 物 质 系 统 的 概 率 ， 比 产 生 无 层 次 结 构 的物 质 系 统 的 概 率 大 得 多 。 于 是 ， 自 然 选 择 就 决 定 了 现 实世 界 是 一 个 具 有 层 次 结 构 的 物 质 系 统 。 19 n 低 层 次 系 统 作 为 高 层 次 系 统 的 基 础 和 根源 ， 在 高 层 次 系 统 中 引 起 一 定 的 结 果 ，构 成 。n 高 层 次 系 统 对 低 层 次 系 统 的 控 制 、 支 配作 为 原 因 ， 在 低 层 次 系 统 中 引 起 某 些 结果 ， 构 成 。 上 向 因 果 链 的 存 在 ， 提 供 了 从 低 层 次 规 律 入 手 认 识 高 层 次 现 象 的可 能 性 ； 下 向 因 果 链 的 存 在 ， 则 保 证 了 从 高 层 次 规 律 出 发 对 低 层次 现 象 进 行 解 释 和 预 言 的 可 能 性 。 20 自 然 界 的 演 化 过 程 21 n 关 于 宇 宙 演 化 的 假 设 有 多 种 ， 其 中 影 响 最 大的 是 大 爆 炸 宇 宙 论 。 根 据 这 一 假 设 ， 目 前 人类 观 测 所 及 的 宇 宙 起 源 于 150亿 年 前 一 个 超高 温 、 超 高 密 的 “ 原 始 火 球 ” 大 爆 炸 。 这 个原 始 火 球 可 以 看 作 宇 宙 的 胚 胎 。 其 物 质 形 态和 爆 炸 原 因 目 前 尚 不 清 楚 。 爆 炸 开 始 后 ， 宇宙 便 不 断 地 膨 胀 ， 温 度 由 热 变 冷 ， 物 质 密 度由 密 变 疏 ， 并 先 后 经 历 了 以 下 三 个 阶 段 ： 基本 粒 子 阶 段 、 辐 射 和 核 合 阶 段 、 实 物 阶 段 。 22 n 地 球 是 伴 随 着 太 阳 、 太 阳 系 的 形 成 而 形 成 的 。 现 代天 文 学 认 为 ， 大 约 在 50亿 年 前 ， 银 河 系 中 曾 经 有一 个 庞 大 的 星 云 ， 由 于 自 身 引 力 而 收 缩 ， 在 收 缩 的过 程 中 产 生 了 漩 涡 。 漩 涡 使 星 云 碎 裂 成 许 多 星 云 块 ，其 中 有 一 块 就 是 形 成 太 阳 系 的 原 始 星 云 。 它 在 收 缩与 旋 转 过 程 中 ， 中 心 部 分 形 成 太 阳 ， 外 层 部 分 形 成地 球 在 内 的 八 大 行 星 和 若 干 小 行 星 。n 根 据 放 射 性 同 位 素 测 年 法 ， 测 得 地 球 的 年 龄 大 约 是46亿 年 。 地 球 的 演 化 经 历 了 以 下 两 大 历 史 时 期 ：天 文 时 期 和 地 质 时 期 。 天 文 时 期 ， 形 成 圈 层 ； 地 质时 期 ， 发 生 地 壳 运 动 和 海 陆 变 迁 。 23 n 现 代 生 物 学 认 为 ， 生 命 的 物 质 承 担 者 是 以 蛋 白 质 和核 酸 为 主 体 的 多 分 子 物 质 体 系 。 生 命 起 源 于 30多亿 年 前 ， 大 致 经 历 三 个 阶 段 ： 一 是 简 单 分 子 合 成 有机 小 分 子 ， 二 是 有 机 小 分 子 合 成 生 物 大 分 子 ， 三 是生 物 大 分 子 结 合 为 原 始 生 命 。n 对 于 第 三 个 阶 段 的 内 在 机 制 ， 人 类 目 前 还 不 完 全 清楚 。 但 可 以 肯 定 的 是 ， 在 原 始 地 球 条 件 下 ， 当 具 有催 化 功 能 的 原 始 蛋 白 质 和 能 起 模 板 作 用 的 原 始 核 酸一 旦 产 生 并 结 合 为 多 分 子 体 系 时 ， 真 正 的 原 始 生 命就 随 之 而 诞 生 了 。 24 n 原 始 生 命 出 现 后 ， 最 初 形 成 的 是 非 细 胞 形 态 ， 自 己 不 会 制 造 有机 物 ， 过 着 异 氧 和 厌 氧 的 生 活 。 经 过 长 期 演 化 ， 外 膜 的 成 分 和结 构 逐 渐 复 杂 化 ， 形 成 了 细 胞 膜 ， 可 以 有 效 地 控 制 物 质 交 换 。与 此 同 时 ， 其 内 部 也 出 现 了 具 有 不 同 功 能 的 颗 粒 ， 如 核 质 、 核蛋 白 粒 、 氧 化 粒 等 ， 形 成 了 原 始 细 胞 。 原 始 细 胞 的 形 成 ， 标 志着 生 命 演 化 进 入 了 一 个 新 的 里 程 。 大 约 17亿 年 前 ， 地 球 上 出 现 了 具 了 遗 传 和 代 谢 功 能 的 真 核 细 胞 。这 是 生 物 进 化 从 简 单 到 复 杂 的 一 个 转 折 点 。 大 约 5亿 年 前 ， 在 真 核 细 胞 的 基 础 上 ， 单 细 胞 生 物 发 展 为 多 细胞 生 物 ， 进 而 分 化 为 植 物 和 动 物 。 大 约 1000万 年 前 ， 哺 乳 动 物 灵 长 类 的 一 个 分 支 古 猿 ， 又分 化 出 了 人 类 。 25 自 然 界 的 演 化 方 式自 然 过 程 的 自 组 织 性 26 n 所 谓 自 组 织 ， 是 指 系 统 的 有 序 结 构 不 是 通 过 外部 指 令 的 干 预 形 成 的 ， 而 是 通 过 系 统 要 素 之 间的 相 干 性 、 协 同 性 或 某 种 默 契 自 发 形 成 的 。 自组 织 的 实 质 在 于 相 干 协 同 。n 协 同 论 的 创 始 人 哈 肯 认 为 ， 系 统 内 部 大 量 的 微观 组 织 通 过 相 互 关 联 的 运 动 即 协 同 作 用 创 造 了一 只 “ 看 不 见 的 手 ” ， 驱 动 着 系 统 各 个 部 分 排列 起 来 ， 以 同 样 的 方 式 行 事 。 哈 肯 把 这 只 能 安排 一 切 的 “ 看 不 见 的 手 ” ， 称 为 “ 序 参 量 ” 。 27 花 岗 岩 中 的 环 状 结 构 有 规 则 的 六 角 形 雪 花天 空 中 的 云 形 成 鱼 鳞 状 排 列 28 贝 纳 德 对 流 1900年 ， 法 国 学 者 贝 纳 德 做实 验 时 发 现 ， 如 果 在 一 个 水 平 容器 中 放 一 薄 层 液 体 ， 上 下 各 与 一个 很 大 的 恒 温 热 源 板 接 触 ， 当 两板 温 度 相 当 时 ， 液 体 处 于 平 衡 态 。从 底 部 均 匀 缓 慢 地 加 热 液 体 ， 由于 温 度 差 的 存 在 ， 热 量 会 不 断 向上 传 递 ， 开 始 热 能 的 传 递 是 以 传导 方 式 进 行 ， 液 体 没 有 任 何 宏 观的 运 动 。 当 加 热 到 一 定 程 度 ， 上下 两 板 的 温 度 差 达 到 某 一 临 界 点时 ， 液 体 中 热 量 传 递 改 变 为 以 对流 方 式 进 行 ， 液 体 会 突 然 出 现 规则 的 多 边 形 图 案 。 这 一 现 象 被 称作 “ 贝 纳 德 对 流 ” 。 贝 纳 德 对 流 产 生 的 规 则 花 纹 29 激光 物 理 学 家 哈 肯 发 现 ， 当 外 界 向 激 光 器输 入 的 功 率 小 于 某 个 临 界 值 时 ， 每 个 处 于 激光 状 态 的 原 子 都 独 立 地 无 规 则 地 发 射 光 子 ，频 率 和 相 都 无 序 ， 整 个 光 场 系 统 处 于 无 序 状态 ， 激 光 器 就 像 普 通 灯 泡 一 样 。 当 输 入 功 率大 于 临 界 值 时 ， 就 产 生 了 一 种 全 新 的 现 象 ，各 原 子 不 再 独 立 地 互 不 相 关 地 发 射 光 波 了 ，它 们 集 体 一 致 地 行 动 ， 不 同 原 子 发 出 的 光 的频 率 和 相 都 变 得 十 分 有 序 ， 这 就 是 激 光 。 30 （ 前 提 ） 热 力 学 中 的 熵 增 原 理 是 相 对封 闭 系 统 和 平 衡 态 系 统 而 言 的 。 远 离 平 衡 态 的 开 放 系 统 ， 通过 与 外 界 环 境 交 换 物 质 、 能 量 和 信 息 ， 可 以 从 原 来 混 乱 无 序的 状 态 ， 转 变 为 一 种 在 时 间 、 空 间 或 功 能 上 有 序 的 状 态 。 （ 根 据 ） 非 线 性 相 互 作 用 是 一 种 复 杂 的 相互 作 用 ， 它 不 是 少 量 几 种 作 用 的 简 单 叠 加 ， 而 是 多 种 作 用 耦合 而 成 的 整 体 效 应 。 这 种 效 应 使 得 各 要 素 按 一 定 方 式 在 大 范围 内 协 调 运 动 ， 从 而 导 致 系 统 新 质 的 出 现 。（ 诱 因 ） 由 大 量 相 互 作 用 的 子 系 统 所 构 成 的 体 系 ，总 是 经 常 不 断 地 受 到 来 自 系 统 内 部 和 外 部 环 境 的 扰 动 ， 使 得系 统 在 某 个 时 刻 并 不 精 确 地 处 在 统 计 平 均 值 上 ， 而 是 或 多 或少 有 些 偏 离 ， 这 种 微 小 的 偏 离 就 是 涨 落 。 涨 落 经 过 非 线 性 的反 馈 机 制 而 被 放 大 ， 使 系 统 跃 迁 到 一 个 新 的 稳 定 有 序 状 态 。 31 n 自 然 界 存 在 多 种 多 样 的 演 化 形 式 ， 所 有 的 演 化 形 式都 可 以 抽 象 为 两 种 最 基 本 的 演 化 形 式 ： 渐 变 与 突 变 。n 自 然 界 中 ， 当 某 一 具 体 自 然 物 的 演 化 表 现 为 缓 慢 、逐 渐 和 连 续 的 形 式 ， 这 种 演 化 就 称 为 。 但 是 ，当 同 一 自 然 物 的 演 化 表 现 为 短 暂 、 变 化 强 度 迅 速 激烈 、 变 化 量 大 、 呈 现 出 间 断 性 特 征 时 ， 这 种 演 化 就称 为 。n 纵 观 自 然 界 的 发 展 史 可 以 看 出 ， 渐 变 是 自 然 界 演 化的 主 要 形 式 ， 它 比 突 变 表 现 得 更 普 遍 、 更 经 常 。 32 自 然 界 的 演 化 方 向自 然 过 程 的 不 可 逆 性 33 n 如 果 系 统 从 某 一 状 态 转 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 来 的 状 态 ， 这 样 的 过 程 就 是 ； 反 之 ， 若系 统 及 其 环 境 一 经 变 化 之 后 就 不 能 回 复 ， 这 样 的 过程 就 是 。n 现 代 科 学 已 经 证 明 ， 不 可 逆 性 是 自 然 界 事 物 的 基 本属 性 ， 自 然 界 不 会 在 演 化 的 过 程 中 走 回 头 路 ， 不 会再 看 已 经 破 坏 的 模 型 ， 所 谓 可 逆 过 程 ， 只 不 过 是 在一 定 条 件 下 ， 忽 略 了 某 些 因 素 之 后 的 理 论 抽 象 或 理想 状 态 ， 现 实 世 界 是 不 存 在 的 。 34 时间之矢的含义 在 牛 顿 第 二 定 律 的 方 程F=mdr dt中 ， 时 间 以 平 方 的形 式 出 现 ， 这 意 味 着 方 向 性 被 抹 掉了 ， 用 t置 换 t， 方 程 的 形 式 保 持不 变 。 因 此 ， 对 牛 顿 力 学 而 言 ， 过去 、 现 在 和 未 来 是 没 有 区 别 的 。 热 力 学 第 一 次 将 时 间 箭 头 引 入物 理 学 。 热 力 学 第 二 定 律 指 出 ： 一个 孤 立 系 统 的 熵 会 随 着 时 间 的 推 移单 调 增 加 ， 直 至 达 到 热 力 学 平 衡 态时 趋 于 极 大 。 这 一 定 律 指 明 了 不 可 逆 过 程 的 方 向 性 ， 即 “ 时 间 箭 头 ”只 能 指 向 熵 增 大 的 方 向 。 人 不 能 两 次 踏 进 同 一 条 河 流 。 赫 拉 克 利 特 35 n 所 谓 进 化 ， 是 指 系 统 从 无 序 到 有 序 、 从 低 序 到 高 序 、从 简 单 到 复 杂 的 发 展 ， 是 事 物 复 杂 性 和 多 样 性 增 长的 过 程 。 所 谓 退 化 ， 是 指 系 统 从 有 序 到 无 序 、 从 高序 到 低 序 、 从 复 杂 到 简 单 的 变 化 ， 是 事 物 复 杂 性 和多 样 性 减 少 的 过 程 。n 热 力 学 第 二 定 律 提 出 的 “ 热 寂 说 ” ， 与 达 尔 文 提 出的 生 物 进 化 论 ， 分 别 揭 示 了 退 化 与 进 化 这 两 种 相 反的 演 化 趋 势 ， 它 们 是 对 立 的 ， 但 又 是 统 一 的 ， 首 先 ，进 化 与 退 化 相 互 包 含 ； 其 次 ， 进 化 与 退 化 同 生 共 存 ；最 后 ， 进 化 与 退 化 相 互 转 化 。 36 揭 示 了 自 然 系 统 不 仅 存 在 着 而 且 演 化 着 ； 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 ； 自 然 系 统 不 仅 是 简 单 的 、 线 性 的 ， 而 且 是 复 杂的 、 非 线 性 的 。 丰 富 和 发 展 了 辩 证 唯 物 主 义 自 然 观 ； 提 供 了 系 统 思 维 方 式 。 37 1. 试 述 系 统 的 含 义 及 其 基 本 特 征 。2. 怎 样 理 解 自 然 界 的 演 化 是 进 化 与 退 化 的 辩证 统 一 ？3. 试 述 自 组 织 的 概 念 以 及 自 然 系 统 演 化 的 自组 织 机 制 、 基 本 条 件 。