1、1,第二讲,辩证唯物主义自然观的新发展 系统自然观,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 系统科学与系统自然观,3,自然界的物质性,4,物质概念的发展,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。,火,原子,气,水,近代形而上学唯物主义,原子,5,列宁的物质定义,“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,自然界物质的客观实在性,自然界物质的客观实在性表现在两个方面：一是自然界的物质相
2、对于人类意识的本原性；二是自然界物质的永恒性。 现代自然科学的研究成果证明：物质发展到一定阶段后才产生了意识或精神，物质先于意识并决定着意识。 辩证唯物主义认为，物质是某种既有的东西，是某种既不能创造也不能消灭的东西。它在空间上无边无际，在时间上无始无终。,7,自然界物质形态的多样性,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。 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
3、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。,8,自然界物质形态的统一性,自然界万物在化学元素上具有统一性。 自然界物质形态在基本粒子上具有统一性。 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。 实物和场之间也是相互联系、相互转化的。,9,从多样性和统一性引出的问题,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？,10,自然界
4、的系统性,11,系统观念的引进系统的含义,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。,12,系统是普遍存在的吗？,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。 但是，堆积物这种非系统方
5、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。,13,自然界系统的类型,从系统与环境的关系分：孤立系统、封闭系统、开放系统。 从系统内发生的实际过程分：物理系统、化学系统、生命系统。 从人对自然物的参与程度分：天然系统、人工系统、复合系统。 从系统内各要素相互作用的特点分：线性系统、非线性系统。 从人对自然物的认识程度分：黑系统、白系统、灰系统。 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
6、，远离平衡态的系统。,14,自然界系统的基本特征,整体性：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。 相关性：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。 有序性：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。 自组织性：系统能够与外界环境自由地进行物质、能量和信息的交换。,15,自然界的层次性,16,层次的概念及其特点,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。 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
7、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。,17,自然界系统的层次结构,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 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,18,系统层次存在的物理依据结合能,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
8、能加速器中才能做到的原因。,19,系统层次结构的必然性概率选择,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？ 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
9、实世界是一个具有层次结构的物质系统。,20,层次结构中的因果关系,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，构成上向因果关系。 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，构成下向因果关系。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。,21,自然界的演化过程,22,宇宙的起源和演化,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
10、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。,23,恒星的起源和演化,目前，被多数人接受的关于恒星演化的学说是“弥漫说”。它认为恒星起源于低密度的星际弥漫物质。其演化过程，一般认为经历四个阶段：引力收缩阶段、主序星阶段、红巨星阶段和高密星阶段。,24,地球的起源和演化,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
11、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。 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。,25,生命的起源,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。 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
12、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。,26,生物的进化,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100
13、0万年前，哺乳动物灵长类的一个分支古猿，又分化出了人类。,27,自然界的演化方式,28,自组织的概念,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。 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”。,29,随处可见的自组织现象,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,30,自组织的经典案例之一贝纳德对流,1900年，法国学
14、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,31,自组织的经典案例之二激光,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
15、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。,32,自组织形成的条件,开放性、远离平衡态（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。 非线性相互作用 （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
16、致系统新质的出现。 随机涨落（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。,33,渐变还是突变？,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。 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，这种演化就称为渐变。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，这种演化就称为突变。 纵观自然界的发
17、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。,34,自然界的演化方向,35,可逆还是不可逆？,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，这样的过程就是可逆过程；反之，若系统及其环境一经变化之后就不能回复，这样的过程就是不可逆过程。 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。,36,“赫拉克利特河流”时间之矢的含义,在牛顿第二定律的方程F=mdrdt中
18、，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,37,进化还是退化？,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。 热力学第二
19、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。,38,系统科学与系统自然观,39,最早出现的系统科学,一般系统论奥地利科学家贝塔朗菲（Von Bertalanffy，19011972）1935年提出概念，1945年进行了较为翔实的理论阐述。 控制论美国科学家维纳（N.Wiener，18941964）1948年创立。 信息论美国科学家申农（C.E.Shannon，19162001）等人1948年创立。,40,6070年代出现的系统科学,耗散结构理论
20、 比利时科学家普里戈金（I.Prigogine）于1969年创立，提出系统在一定外部条件下，在物质、能量外部输入达到一定阈值时，系统突然自发地从无序走向有序，形成有序结构的理论。 协同学 由德国物理学家哈肯（H.Haken）于1969年创立，以竞争、协同和序参量等因子的系统内部的相互作用解释系统动力学的理论。 超循环理论 由德国生物化学家艾根（M.Eigen）于1979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。 突变论 由法国数学家托姆（R.Thom）于1972年创立，在数学的拓扑理论上提出了各种突变形式的理论。,41,80年代以后出现的系统科学,混沌理论 由气象
21、学家洛伦兹、生物学家R.梅、物理学家费根鲍姆等，在20世纪7080年代创立。该理论提出了混沌现象，初值敏感性、确定中的类随机性问题，等等。 分形理论 由曼德布罗特（B.B.Mandelbrot）大约在19671975年之间创立，提出整体与局部的自相似性、事物复杂的空间形态、分数维数，等等。 孤立子理论 有一个连续的发现过程和创立过程，最早可以追溯到1834年发现孤立波现象，1965年出现定义，80年代形成研究热潮。该理论提出平衡结构中突然涌现结构问题。,42,系统自然观的基本内涵和重大意义,基本内涵 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。 重大意义 丰富和发展了辩证唯物主义自然观； 提供了系统思维方式。,43,思考题,试述系统的含义及其基本特征。 怎样理解自然界的演化是进化与退化的辩证统一？ 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。,
