物质系统的层级结构.ppt

第三节 物质系统的层级结构 理解复杂系统的基本方式 一个较为复杂的系统都是按层次结构组织起来的 ，即每个物质系统都是较高一级系统的一个要素， 同时它作为较高一级系统的要素本身，通常又是较 低一级的系统，这样便形成了自然界物质系统的层 次性（如下图）。 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）粒子 夸克 非生命世 界物质系 统的层次 宇观 宏观 微观 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 (一)层次结构的基本特征 层次结构指的是，若干要素经相互作用构 成的系统，再通过新的相互作用而构成新系 统的逐级构成的结构关系。 在这种关系中，参与构成的系统称为低层 系统，构成后的新系统称为高层系统。 1、构成性：由下而上逐级构成 层次结构的一个显著特征是，低层系统对高层系 统具有构成关系：低层系统必须是高层系统的构 成部分，而高层系统也只能以低层系统为存在基 础。 层次结构中的构成性关系是物质系统之间的纵向 的或垂直的有序关系，即子系统与母系统、各个 子系统之间的相互包含和相互作用，它反映出不 同层次之间是相互依存的。 多极构成、多级环境、多级功能 2、相干性：层层相干，层层有新质突现 层次结构中的相干性关系是物质系统间的横向 关系。 处于同一层的子系统之间相互限制、相互协同。 只有通过相干性关系，它们才能结合起来构成高 一级系统，导致纵向层次间质的差异。 2、相干性：层层相干，层层有新质突现 随着每一个新物质层次的形成，总会有新质的突 现和新功能的问世。 层级的增加以结构的简化为代价，为底层系统并 入高层系统的活动模式创造条件。理解复杂现象 逐级构成，逐级递进；逐级相干，逐级集约 （依赖于层级结构中结合度逐级递减） (二)层次结构的结合度 1、结合度极其递减趋势 结合度：泛指相互作用的强度，可以用势能 、结合能、键合力、信息量加以计量。 交换物质能量-空间临近程度 交换信息 -压缩时空 一般随着层次由低向高推进，结合的紧密程 度由大到小而递减： 从将夸克结合为基本粒子的力量到将中子和 质子结合为原子核的核交换力；从将原子核 与电子结合 的电磁力到将原子结合为分子的 共价键或离子键；从将化学分子结合为生命 大分子到将多细胞结合为生命整体；直至维 持生物群落和生态系统的力量，不但具有巨 大的强弱差异，而且是依次递减的。 2、结合度递减的存在论意义 层级结构存在的必要条件 只有结合度递减，下层子系统才会以单体稳定的 方式发生相干效应，从而造成上层系统的出现。 上层系统稳定存在的范围较下层系统狭小 低层系统在宇宙中的分布远远超过高层系 统。 3、结合度递减的进化论意义 复杂物质形态大多是在稳定低层系统的基础上经 过聚合方式产生的。 选择聚合方向，提供聚合“原料”，加快聚合速度 高层系统解体，低层子系统的稳定性依然存在 进化速度快，成功几率高 （组合式家具，拆分拼装） 层级结构普遍存在 ；多层级的层级结构罕见 （三）层级结构中的信息流 信息及其逐级集约 信息逐级集约与行为逐级控制 信息逐级集约与问题逐级简化 信息及其逐级集约 信息 申农：狭义的信息 消除认识上的不确定性 维纳：控制论角度 组织性的量度 负熵 普里戈金：（广义的信息 ） 相干性 对环境的适应 信息论的创始人：数学家申农 1948年，贝尔系统技术杂志发表申农 的论文通讯的数学原理奠定了现代信 息论的基础。由于控制论，电子计算机和 通信技术的相互结合，信息论正在获得迅 速的发展。特别是信息论与生物化学、分 子生物学、计量社会学和计量心理学等领 域相结合，使信息论成为现代科学问题的 有力武器。 信息论的创始人：数学家申农 申农认为，信息论的基本内容，就是研究信源 、信宿、信道和编码问题，他对信息论的贡献很 多，主要有五点：一是他第一次从理论上阐明了 通讯的基本问题，提出了通讯系统的模型；二是 提出了度量信息量的数学公式；三是初步解决了 如何从信息接受端提取信息源发来的消息的技术 问题；四是提出了如何充分利用信道的信息容量 ，如何在有限的信道中以最大的速率传递最大的 信息量的基本途径；五是初步解决了如何编、译 才能使信源的信息充分表达、信道的容量被充分 利用的问题。 逐级集约 子系统之间的联系相对微弱 进入上层的信息是集约了的信息，是与整体有关 的信息，而不包括仅与子系统内部活动有关的信 息。 高层系统形成所需要的信息条件不比底层系统严 格，反而较为宽松，也较易满足。 物质+能量+较少的信息=聚合高层系统 信息逐级集约与行为逐级控制 信息的逐级集约-逐级控制 控制等级 每个子系统独立消除内部行为的不确定性 子系统之间关系不确定性的消除 控制方式： 集中控制 整体优化 时滞长 成本高 应变差 分散控制 整体协调差 反映及时 灵活 递阶控制 取长补短 信息逐级集约与问题逐级简化 “黑箱化” 把下层子系统的特征简化为内部约束条件 把上层系统的制约简化为外部环境条件 在神经心理学之前研究认识过程 西蒙 信息集约化 内部参数（内部约束条件：黑箱） 短时记忆容量 短时记忆进入长时记忆的固结时间（5-8秒 /块） 记忆的组织形式 如何解释短时记忆容量有限 1956年，美国心理学家George A.Miller明确 提出，短时记忆容量为72个组块。 当外界信息通过感官进入记忆系统中的短 时贮存系统时需要对信息进行有意识的处 理。实验表明：短时记忆贮存系统一般接 收7+2个单位的量。这个单位被称为 “chunk”，即组块，它既可是单个字，也 可以是词、词组，甚至是句子。 如何解释短时记忆容量有限 心理学家通过实验得出结论：改变组块的 容量可以增加记忆容量。如果出示一级无 关的汉字，学生大约能记住5、6个字，如 果对汉字加以重组形成词，那么学生可以 记住5、6个词，其中汉字的字数已超过5、 6个了。因此要扩大短时记忆的容量，比如 如果要增加阅读速度，就应该以词组或短 语、句子为单位阅读。 如何解释短时记忆容量有限 如何解释短时记忆容量有限这一短时记忆的特点 呢？ 1.Waugh、Norman和Atkinson等倾向于从贮存 空间及其有限的槽道来说明。 2.Baddeley等(1975)认为短时记忆的容量取决 于人在2秒钟内能够复述的信息的数量。 3.Klatzky(1975)木匠工作台原理。木匠工作台 既要放料又要工作，二者必然存在一个权衡关系 ，短时记也是如此，它既要贮存，又要加工，实 际上是一个工作记忆。 短时记忆信息缓冲原理 短时记忆由若干槽道构成。每一个槽道相当于一个信息 通道。来自感觉记忆的信息单元分别进入不同的槽道。缓 冲器的复述性加工有选择地将槽道中的信息进行复述。被 复述的槽道中的信息将进入长时记忆中。而没有被复述的 槽道中的信息将被清除出短时贮存区而丧失。 各槽道中的信息保持的时间是不一样的。信息在槽道中 保持的时间越长，越有可能进入长时记忆中，也越有可能 被来自感觉记忆的新的信息冲挤掉。 相对而言，长时记忆才是一个真正的信息贮存库， 但 其中的信息也有可能因消退、干扰和强度丧失等原因而产 生遗忘。 (四)层级间的因果链 因果链：因果关系的传递方式。 长程链、复合链、反馈链 层次结构中存在着双向因果链： 其一，低层系统及其相干性关系作为原因，可 以在高层系统中引起一定的结果，决定高层系 统的特点和规律，此乃其上向因果链。 其二，高层系统对低层系统的支配、影响和 限制，这是其下向因果链。 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 律出发对加入高层系统的低层现象进行解释和 预言的可能性。 上向因果链与递进性解释 递进性解释 从低层系统的规律出发，考虑低层系统过 渡到高层系统的相干条件以及环境因素， 对高层系统的行为特征作出递进性解释。 逻辑要素 低层规律 低层过渡到高层的相干条件 环境陈述 低层过渡到高层的相干条件 化学键：元素