物质系统的层级结构

物质系统的层级结构第一页，共三十二页，编辑于2023年，星期日

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）。第二页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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第三页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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第四页，共三十二页，编辑于2023年，星期日第五页，共三十二页，编辑于2023年，星期日(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。第六页，共三十二页，编辑于2023年，星期日

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、多级功能第七页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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。第八页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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）第九页，共三十二页，编辑于2023年，星期日

(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

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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。第十一页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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。第十二页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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

第十三页，共三十二页，编辑于2023年，星期日（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第十四页，共三十二页，编辑于2023年，星期日信息及其逐级集约

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第十五页，共三十二页，编辑于2023年，星期日信息论的创始人：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。第十六页，共三十二页，编辑于2023年，星期日信息论的创始人：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。第十七页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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=聚合高层系统第十八页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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第十九页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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第二十页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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）记忆的组织形式第二十一页，共三十二页，编辑于2023年，星期日如何解释短时记忆容量有限1956年，美国心理学家GeorgeA.Miller明确提出，短时记忆容量为7±2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。第二十二页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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。第二十三页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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。第二十四页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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。

第二十五页，共三十二页，编辑于2023年，星期日第二十六页，共三十二页，编辑于2023年，星期日

(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。第二十七页，共三十二页，编辑于2023年，星期日

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。第二十八页，共三十二页，编辑于2023年，星期日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第二十九页，共三十二页，编辑于2023年，星期日低层过渡到高层的相干条件化学键：元素化合物DNA双螺旋结构：有机小分子生命大分子超循环理论：生命大分子生命第三十页，共三十二页，编辑于2023年，星期日下向因果链与扩