第二章-现代科学技术与系统自然观1课件

第二章第二章现代科学技术与现代科学技术与 系统自然观系统自然观n第一节现代自然科学的发展与现代自然科学的发展与 系统自然观的形成系统自然观的形成n第二节自然界的系统存在方式n第三节自然界的演化第二章 现代科学技术与 1一、系统自然观产生的现代自然科学基础二.系统自然观的基本思想三.系统自然观确立的意义一、系统自然观产生的现代自然科学基础2n1、现代自然科学革命概况n2、相对论、量子力学和分子生物学n3.系统科学1、现代自然科学革命概况3n19末20初的物理学发现.危机.革命n三大发现：电子、X射线、放射性n两朵乌云：迈克尔逊莫雷实验（以太漂移实验）黑体辐射实验(紫外灾难)n相对论、量子力学:19末20初的物理学发现.危机.革命4n物理学革命推动下其它基础科学理论革命：n基因的发现，DNA双螺旋结构模型建立;n大陆漂移学说和现代板块构造理论;n新的宇宙演化观念的建立；n系统科学的产生和发展;物理学革命推动下5n科学革命推动下的技术革命：n原子能技术;n空间技术;n生物技术;n电子计算机和微电子技术;n信息技术;科学革命推动下的技术革命：6(1)相对论n起源：迈克尔逊-莫雷实验(以太漂移实验)，n否定了长期以来人们相信的以太和以太风的存在，n旧物理学的根基发生了动摇？(1)相对论7n1905年，爱因斯坦创立狭义相对论n从提出相对性原理和光速不变原理出发，n得出：同时性是相对性，尺缩效应，时间延缓效应，质能关系式等重要结论。1905年，爱因斯坦创立狭义相对论8n1916年，爱因斯坦将相对性原理推广到非惯性系问题，并由此创立广义相对论。n提出广义协变原理、等效原理，n并由此推断出：在引力场中，时钟变慢，光线出现偏转，光谱性红向移动等，后来都一一证实。1916年，爱因斯坦将相对性原理推广到非惯性系问题，并由此创9n相对论的自然观意义：n时空不能离开物质而独立存在，n时空的结构、性质取决于物质的分布，n扬弃了牛顿的绝对时空观，n揭示了空间时间与物质之间存在的辩证关系相对论的自然观意义：10n(2)量子力学n起源：黑体辐射实验，又称紫外灾难。n1896年，维恩提出黑体能量辐射公式即维恩公式，n此公式几乎完全适合短波，但不适合长波；(2)量子力学11n1900年，瑞利从经典理论导出辐射公式，1905年经金斯修正，称为瑞利金斯公式，n它适合可见光谱的长波部分，不适合短波部分.n这个公式在短波的紫外光谱区遇到困难，史称“紫外灾难”，n反映了整个经典物理学的基础遇到严重挑战。1900年，瑞利从经典理论导出辐射公式，1905年经金斯修正12n普朗克使用内插法将两公式联系起来，提出著名的普朗克公式，与实验能较好的符合。n提出能量子假说.n尔后，经爱因斯坦.波尔.德布罗意.海森保与薛定谔.继而由波恩，n最后由狄拉克创立概念完整的理论体系，n量子理论及量子力学就此诞生。普朗克使用内插法将两公式联系起来，提出著名的普朗克公式，与实13n量子力学的创立:n揭示了不同于宏观物体规律的微观物体规律，n阐明了连续性与间断性、波动性与粒子性的对立统一，量子力学的创立:14n显示出微观世界的概率随机性，从根本上改变了精确确定的连续轨迹的经典概念，n经典理论中的严格决定论，被因果律仅作为一种近似的和统计趋势的概念所代替。显示出微观世界的概率随机性，从根本上改变了精确确定的连续轨迹15n（3）分子生物学n1953年美.沃森和英.克里克nDNA双螺旋结构模型，n人类对生物学的研究推进到生物大分子层次，n阐明了生物界结构和生命活动的高度一致性，n揭示了生物的遗传机制。（3）分子生物学16nDNA重组技术，克隆技术，n标志着人类已进入可以控制遗传和生命过程的新阶段，n人类不仅可以改造自然，而且可以改变人类自身，改变人的自然本性。DNA重组技术，克隆技术，17n40年代兴起的控制论、信息论和系统论，n60年代以后出现的耗散结构论、协同论、突变论、超循环论等自组织理论，n80年代以来日渐活跃的混沌学，分形理论等n这些学科具有某种“家族相似性”，人们从不同角度称它们为系统科学、非线性科学或复杂性科学.40年代兴起的控制论、信息论和系统论，18n(1)控制论.信息论.系统论:n将研究对象视为系统整体，揭示出自然界物质系统的整体性，层次性，动态性和开放性特征，勾画出一幅自然界物质系统存在的画面。n揭示整体大于部分之和.n将近代的机械还原论科学向现代的系统整体论科学迈进了一大步.(1)控制论.信息论.系统论:19n(2)耗散结构论、协同论.突变论.超循环论等自组织理论n进一步勾画了自然系统从存在到演化的有序过程，n展示了自然界变化过程的不可逆性及演化的方向性，n揭示出自然界演化的自组织机制。n向现代的系统整体论科学迈进了一大步(2)耗散结构论、协同论.突变论.超循环论等自组织理论20n(3)混沌学:n揭示了近代科学从未想到的，隐藏在混乱现象深处的惊人秩序，n即宏观上无序而微观上高度有序的“混沌”现象。(3)混沌学:21n混沌概念的演化：n古代理解的混沌：是描述宇宙天地开辟之前物质未分化的一种浑然一体的自然状态。n近代科学中的混沌：是指系统内部的温度、压强、浓度、化学势等各处相等，分子运动的混乱度极高的无序的运动状态。n现代混沌学中的混沌：是指确定性系统中的复杂随机行为，是一种宏观上无序，微观上高度有序的现象。混沌概念的演化：22n气象学家洛仑兹首先发现这一现象。n20世纪50年代洛仑兹通过对气象系统的研究，提出了地球大气变化模型洛仑兹方程，n根据大气流动的实际情况，洛仑兹对方程进行计算，得到了科学史上第一个混沌解，一条奇怪的轨线：气象学家洛仑兹首先发现这一现象。23n由3维空间里条绕着两个吸引中心无限多次盘旋的双螺旋曲线组成，形似蝴蝶的两个翅膀。由3维空间里条绕着两个吸引中心无限多次盘旋的双螺旋曲线组成，24n右半叶转几圈再到左半叶转几圈，又回到右半叶转圈，不断反复。n每次在左叶或右叶转圈的次数完全随机，很难确定长时间后某一刻究竟在左边还是在右边转圈。第二章-现代科学技术与系统自然观1课件25n这条轨线我们称为洛仑兹奇怪吸引子，这条轨线我们称为洛仑兹奇怪吸引子，所谓吸引子就是系统运动的归宿，n洛仑兹奇怪吸引子意味着系统运动的轨迹是一条宏观上没有明显规则或次序的混沌运动。n左边的几圈可能代表晴空万里，忽然跳到右边又代表雷电交加，n天气的长期预报是难以精确的。这条轨线我们称为洛仑兹奇怪吸引子，所谓吸引子就是系统运动的归26n在这个动力系统中，n初始条件下微小的变化即能带动整个系统的长期的巨大的连锁反应。n最常见的阐述是“一个蝴蝶在巴西轻拍翅膀，可以导致一个月后德克萨斯州的一场龙卷风。”n这就是洛仑兹描绘的“蝴蝶效应”。在这个动力系统中，27n混沌学注重系统整体性的“随机”方向，n研究确定性动力系统显示出的偶然性、无规则性、和不可预测性，n揭示了确定性动力系统由于非线性作用自发产生混沌现象、随机行为的机制。n随机性存在于确定性之中，确定性自己规定自己为不确定性，从根本上消除了拉普拉斯决定论的幻想。混沌学注重系统整体性的“随机”方向，28n现代自然科学为我们描绘了一幅自然界物质系统演化发展的图景，认为n“系统是自然界的总模型”。n自然系统不仅存在着，而且演化着；n自然系统不仅有确定性，而且会自发的产生不可预测的随机性；n自然系统不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的。现代自然科学为我们描绘了一幅自然界物质系统演化发展的图景，认29n1.从存在的自然到演化的自然n2.从机械决定论到内在随机性n3.从自然的简单性到自然的复杂性n4.从线性的自然到非线性的自然1.从存在的自然到演化的自然30n近代初期的科学导致机械论自然观。n认为万物的运动变化只是宇宙中基本构成要素的分离和结合，n基本否定了宇宙万物真正意义上的“生成”的思想，否定了世界的历史性和创造性n时间只是描述运动的几何参量而已.n自然界只是存在着，谈不上演化。近代初期的科学导致机械论自然观。31n自组织理论揭示出自然界演化发展的历史过程，n时间从一个外部参量转化为自然演化的内在尺度，n自然科学从存在的科学走向演化的科学，n自然界不仅存在着，而且演化着。自组织理论揭示出自然界演化发展的历史过程，32n牛顿力学的成功使决定论的观点盛行，以致拉普拉斯决定论的形成。n他认为：一切事物的运动变化都存在着确定的，必然的联系，都服从某种规律，n人们只要找到了那个无所不包的宇宙方程，并且知道宇宙的一切初始条件和边界条件，n宇宙的过去和未来都会呈现在眼前，一切都是确定的、必然的。牛顿力学的成功使决定论的观点盛行，以致拉普拉斯决定论的形成。33n混沌理论表明，确定的非线性系统，即使不受外界影响，初始条件是确定的，系统自身也会自发的产生不可预测的随机性。n这种情况是普遍存在的，牛顿力学所描述的完全决定论的情况，在现实中是凤毛麟角的特例，从根本上动摇了机械决定论的理论基础。n自然界是确定性与随机性的辩证统一。混沌理论表明，确定的非线性系统，即使不受外界影响，初始条件是34n近代科学研究的对象主要是线性的，规则的、确定的、平衡态的、可逆的，可作严格逻辑分析的对象n形成了一种观念：物理世界是简单的n习惯于用分析还原的方法，n把复杂事物化解为简单事物来处理。近代科学研究的对象主要是线性的，规则的、确定的、平衡态的、可35n自组织理论、混沌理论等研究非线性的、非平衡态的、不可逆的、不可作严格逻辑分析的对象，n且存在着要素之间的反馈、自催化、自组织等相互联系和协同作用，n揭示出自然界复杂性的一面自组织理论、混沌理论等研究非线性的、非平衡态的、不可逆的、不36n近代科学实质上是以线性系统为研究对象的线性科学，如没有摩擦的摆、没有粘滞的理想流体等。在自然观上形成了一种线性观：n线性系统是自然界的普遍现象，只有线性现象才有普遍规律，可以提出一般原理和普适的方法。n非线性系统是例外，没有普遍规律，不能建立一般原理和普适方法。近代科学实质上是以线性系统为研究对象的线性科学，如没有摩擦的37n混沌理论的研究使人们意识到：n现实世界中的非线性问题是普遍现象，线性问题才是少见的例外。n自然界是线性与非线性的辨证统一。混沌理论的研究使人们意识到：38n1、丰富和发展了辩证唯物主义自然观n自然界的系统性、整体性和层次性；n自然界物质系统的开放性、动态性和自组织性；n时间的不可逆性；n自然界在循环发展中有序与无序、进化与退化的辩证统一；1、丰富和发展了辩证唯物主义自然观39n2、确立了系统的思维方式n把对象当作一个系统整体来考察n根据系统的性质、关系和结构，把对象的各个组成要素有机的组织起来构成模型，研究系统的功能和行为。n具有整体性.综合性.定量化和精确化2、确立了系统的思维方式40n一、系统：自然界物质存在的普遍形式n二、自然界物质系统的基本特点n三、自然界物质系统的结构层次一、系统：自然界物质存在的普遍形式41n1.系统的涵义n2.系统是自然界物质存在的普遍形式1.系统的涵义42n综合L.贝塔郎菲与钱学森的观点，“系统”可以表述为：n“由若干相互联系，相互作用的要素组成的具有特定结构与功能的有机整体”。n包含4个要义：第二章-现代科学技术与系统自然观1课件43n系统至少有两个以上的要素系统内部具有可分析的结构。n系统具有特定的结构。它是系统形成整体功能的基础。n系统在整体水平上表现出特定的功能。n系统离不开环境。环境是指与系统发生相互作用而不属于这个系统的所有因素的总和，是系统存在的外部条件。系统至少有两个以上的要素系统内部具有可分析的结构。44n自然界所有物质客体自成系统。n自然界物质客体互成系统。n整个自然界是一个大系统。第二章-现代科学技术与系统自然观1课件45n1.开放性n2.动态性n3.整体性n4.层次性1.开放性46n根据系统与环境的之间是否存在物质.能量和信息的交换，n孤立系统：与环境无物质和能量交换的系统。n封闭系统：与环境仅有能量交换，不进行物质交换的系统。n开放系统：与环境有物质和能量交换的系统，是自然界中最普遍、最典型的系统。根据系统与环境的之间是否存在物质.能量和信息的交换，47n实际上，任何系统都与外界有一定程度的交换，程度不同而已；n正是由于这种与外界的交换，使得开放系统具有以下内部特征：n新陈代谢；n等结果性；实际上，任何系统都与外界有一定程度的交换，程度不同而已；48n封闭系统中，系统的初始条件决定系统的结果，n开放系统中，不同的初始条件，由于与外界的交换可以殊途同归，达到相同的结果。封闭系统中，系统的初始条件决定系统的结果，49n系统与环境的交换，使系统发生着新陈代谢，从而经历着孕育，产生，发展，成熟直至衰退，灭亡的过程。n自然界系统的这种运动，变化，发展的过程就是它的动态性系统与环境的交换，使系统发生着新陈代谢，从而经历着孕育，产生50n既存在从有序向无序，最终达到热平衡态的退化方向，如热力学第二定律所言n也存在依据非平衡态自组织理论，在一定条件下从无序向有序，形成新的有序结构的进化方向，n进化与退化共同存在，相互包含，既对立又统一。既存在从有序向无序，最终达到热平衡态的退化方向，如热力学第二51n所谓整体性是指构成系统的各个要素通过相互联系相互作用，按一定方式形成了具有特定功能的有机整特定功能的有机整体体。n整体性是自然界物质系统最基本，最显著的特性。所谓整体性是指构成系统的各个要素通过相互联系相互作用，按一定52n一方面，该整体的功能既不同于各要素的功能，也不等于各要素性质功能的简单相加，n是在整体水平上表现出的特有的性质，功能和规律，大于各组成部分之和。n系统的整体性常常被表述为“整体大于各部分之和”。一方面，该整体的功能既不同于各要素的功能，也不等于各要素性质53n另一方面，整体中各组成要素的功能与它们在孤立状态下的功能也不同。n由于系统的整体性，组成系统的各要素不再是完全独立于系统的要素，而是在整体制约下相对独立的部分。n如水分子另一方面，整体中各组成要素的功能与它们在孤立状态下的功能也不54n一方面，系统由若干要素构成，而这些要素又由更低层次的要素构成；n另一方面，系统自身又是更高层次系统的组成要素；n这种逐级构成的“等级秩序”就是系统的层次性，它揭示了自然系统之间纵向或垂直方向的有序关系。一方面，系统由若干要素构成，而这些要素又由更低层次的要素构成55n层次性是自然系统联系与发展的连续性的中断，体现了自然系统的普遍差异性，n这些差异形成的“关节点”与系统的等级层次正好相吻合，“关节点”正是系统性质出现质的飞跃的点。n层次性是自然界的基本属性。自然系统是整体与部分，连续性与间断性的统一。层次性是自然系统联系与发展的连续性的中断，体现了自然系统的普56n1.自然系统的结构与功能n2.无限嵌套构成的立体网状自然图景1.自然系统的结构与功能 57n结构是指自然系统的各组成要素之间n相互联系，相互作用的总和,n表现为系统内部的组织形式，联系方式或秩序。n功能是指系统在与外部环境相互联系，相互作用中表现出的性质，能力和作用。结构是指自然系统的各组成要素之间58n结构是功能的内在依据，功能是结构的外在表现；n系统结构具有相对稳定性，n系统功能由于系统开放程度和开放方式的不同表现不同的可能性。结构是功能的内在依据，功能是结构的外在表现；59n相互作用是一切自然系统形成特定结构的本质和根源，n自然系统的结构主要由引力相互作用，电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用组成，n不同相互作用在不同质量大小的物体结构形成中分别发生了重要作用。相互作用是一切自然系统形成特定结构的本质和根源，60n自然系统的结构有两种基本形式n第一，系统各要素在空间上相互联系与组合的秩序，即同时态的相对稳定的空间结构。n第二，系统随时间的延续而呈现的流动性.变动性秩序，即历时态的演化发展的时间结构。自然系统的结构有两种基本形式61n自然系统的空间结构形式与时间结构形式往往是交织在一起的。n任何事物都同时具有广延性和持续性.n系统各要素不仅在空间上呈现出联系和组合的秩序，n随着时间的延伸也会经历演化发展的秩序。自然系统的空间结构形式与时间结构形式往往是交织在一起的。62n系统与组成它的子系统之间形成的不同等级的纵向层次结构纵向层次结构，n系统之间，子系统与子系统之间形成的同一等级的横向层次结构，横向层次结构，n在上述两者基础上构成的交叉层次结交叉层次结构，构，n共同形成了一幅无穷嵌套的立体网状立体网状结构结构的自然图景系统与组成它的子系统之间形成的不同等级的纵向层次结构，63n自然系统可能由向下几个层次的某一层次的子系统或几个层次的子系统组成；n要素在组成较高层次的系统时，可能形成两个以上的不同层次的高层次系统，从而使层次之间的联系出现分支现象；自然系统可能由向下几个层次的某一层次的子系统或几个层次的子系64p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量写65Thank You在别人的演说中思考，在自己的故事里成长Thinking In Other PeopleS Speeches，Growing Up In Your Own Story讲师：XXXXXX XX年XX月XX日Thank You66