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第二章自然观的发展 系统自然观第一节 自然界的系统存在方式一 系统 自然界物质存在的普遍形式1 何为 系统 1 第一节现代自然科学的发展和系统自然观的产生一 系统自然观产生的现代自然科学基础1 现代自然科学革命2 相对论 量子力学和分子生物学3 系统科学 2 二 系统自然观的基本内涵和思想系统自然观根植于相对论等 以及系统论 控制论 耗散结构理论等现代自然科学理论 为人们描绘出一幅从基本粒子 原则 分子化合物直到人类 从微观领域直至宇观天体系统演化的自组织 自我运动 自我创造的辩证的演化发展的自然图景 深入揭示了自然界的本质和规律 认为 系统 是总的自然界的模型 3 2 确定性和随机性的统一3 简单性和复杂性的统一 4 线性和非线性的统一 1 从存在到演化 4 三 系统自然观确立的意义1 丰富和发展了辩证唯物主义自然观 2 提供了新的思维方式 5 第二节自然界的系统存在方式一 系统 自然界物质存在的普遍形式1 何为 系统 6 系统是由若干相互联系 相互作用的要素组成的具有特定结构与功能的有机整体 1 系统由要素组成 但不是要素的机械相加 而是要素之间相互联系和相互作用的有机整体 系统具有加和性和非加和性 7 2 系统内部诸要素之间 系统要素与系统整体之间的相互联系 相互作用 形成了特定的结构 按其存在方式可分为 1 空间结构即同时态结构 指要素在空间上的恒定的分布和排列在彼此之间有确定的相互关系 它在稳定条件下随时间变化 2 时间结构即历时态结构 指要素在时间上的恒定的分布和排列并在前后间有确定的相互关系 它要经历一段时间才显露出来 3 时空结构 是系统空间结构随时间流逝而有节律的变化 8 9 3 系统作为一个整体对环境表现出特定的功能 功能指具有一定结构的系统的整体与其他系统相互作用中对其他系统产生影响和效应的能力 功能可分为 1 静态功能 即一个系统的结构能够约束 传递 引导 改变另一个系统的状态和运动 而本身处于恒定不变的状态 2 动态功能 又可分为两种 一种是一个系统的结构安排使其他系统产生有规则的变化而达到某种效果 如一条生产线 另一种是一个系统与其他系统交换物质能量而产生的影响和效应 如热带雨林 10 认识结构和功能的关系有重要的方法论意义 系统化常常就是结构优化 首先重视结构问题 其次注意到系统中各要素之间的协作 良好的协作产生整体大于部分之和之功能 11 认识和把握系统的整体性有重要的方法论意义 第一 我们需要认识组成这个事物的各个部分 各个组成要素 第二 不能把这一事物看作是各部分的简单相加或机械集合 第三 在观察和处理问题时 首先从整体出发 以整体最优化为基点 12 本章所思考的问题一 什么是复杂性研究 二 系统理论与复杂性的关系是什么 三 自组织是否优于他组织 13 14 15 第二节 自然界的复杂性一 概念 1 简单与复杂复杂的事物具有简单性 简单的事物具有复杂性 复杂性研究的出发点是复杂 简单 复杂 而不仅仅是简单 复杂 16 人们已发现和合成的近800万种化合物是由110种元素构成的 110种元素又由电子 质子 中子等少数基本粒子构成 而简单的电子 质子 中子又有复杂的结构 17 复杂性研究的方法主要是综合而不是分析 18 2 线性与非线性复杂系统都是非线性系统 所谓线性 主要是指相互作用的量之间有比例关系 各个作用彼此是孤立的 其作用可以叠加 结果是稳定的 必然的 牛顿力学和热力学研究的就是线性问题 例如物体下落速度与时间的关系 例如一分耕耘 一分收获等 19 非线性主要是指相互作用的量之间没有比例关系 各项变化不均匀 各个作用彼此相干或交叉 叠加原理失效 结果通常是随机的 多元的 例如力学中的三体问题 汉语中的牵一发而动全身 差之毫厘 失之千里等 20 客观世界 2020 1 8 21 感觉 由脑对直接作用于感觉器官的客观事物个别属性的反映 人们对客观世界的认识 超过80 由视觉来完成 人的视觉可分为颜色视觉和形象视觉 在知觉中 颜色视觉占有先导地位 观察物体的过程 光 物体 人眼 大脑 色觉 2020 1 8 22 复杂系统的特征 1 各单元之间的联系广泛而紧密 构成一个网络 2 具有多层次 多功能结构 每一层次均成为构筑其上一层次的单元 3 在发展过程中能够不断地学习并对其层次结构与功能结构进行重组及完善 4 系统是开放的 与环境有密切联系 能与环境相互作用 并不断向更好地适应环境的方向发展变化 5 系统是动态的 处于发展变化之中且本身对未来的发展变化也有一定的预测能力 2020 1 8 23 颜色视觉三要素之间的相互联系和相互作用 1 由光源把物体照亮 光是色的源泉 色是光的表现 世界上只有无色的光 而没有无光的色 2 物体把照射到其表面的一部分光散射出来 3 从物体表面散射出来的光投射到人眼中 2020 1 8 24 掷一枚硬币 一个骰子或者通信中收到一个讯号 其结局都有不确定性 它们的不确定性相同吗 并不 掷硬币的结局仅有正反面两个 其不确定性比可能有6个结局 1 2 3 4 5 6点 的掷骰子要小 以H表示做一次抽样 对应于通讯时收到一个讯号 的不确定性 可以初步地说H与实验结局的可能个数有关 或者说不确定性是结局的个数的函数 写成公式就是H f k 这里用k表示可能结局的个数 而函数f究竟是什么我们还不知道 25 树上有10只鸟 打下1只 还剩几只 一般 聪明人 都答一只也没有了 其实 这并不确定 因为剩下9只鸟可能有几只是病鸟 或者余下的鸟是幼鸟不会飞 还停栖在树上 因此这个问题的答案是不确定的 26 3 竞争与协同复杂性研究中 正确认识各要素之间既有竞争又有协同的关系具有更重要的意义 竞争泛指系统之间或系统内部不同要素之间 通过某种斗争 有时可分出高低优劣 择优汰劣 而促使系统演化的活动 27 协同有共同 合作 协调和同步之意 协同是系统中许多子系统的联合作用 在演化过程中 系统的各个组成要素会在一定的条件下联接 合作 协调与同步行动 自组织系统离不开协同的动力作用 所谓协同学就是专门研究这种关系的 28 协同学在哲学上的一个重要观点 是认为在系统中各要素和子系统之间 不仅有相互排斥的关系 而且 这些互相竞争的要素还会在一定条件下走向协同 比如植物和动物之间 植物通过光合作用吸取二氧化碳 放出氧气 动物正好相反 吸取氧气 呼出二氧化碳 它们就是这样相互利用 相互促进的 29 猫 田鼠 雄蜂和三色堇看似毫不相干 但它们处于相互联系之中 30 三色堇是靠熊蜂传递花粉受精的 而熊蜂的数量 又和田鼠的数量直接相关 田鼠是熊蜂的天敌 经常破坏熊蜂的蜂窝 而田鼠的多少 又与猫的多少密不可分 这样 猫 田鼠 雄蜂 三色堇这些平时看起来毫不相关的事物 就有了生死攸关的联系 31 哈肯 1927 德国物理学家 协同学的创始人 1927年生于德国 1951年获埃尔朗根大学数学哲学博士学位并留校任教 1956年任理论物理学讲师 1960年任斯图加特大学理论物理学教授 主要从事激光理论和相变研究 1969年提出协同学一词 他建立序参量演化的主方程 解决了导致有序结构的自组织理论的框架 并用突变论在有序参量存在势函数的情况下对无序一有序的转换进行归类 于70年代创立了协同学 协同学是研究协同系统从无序到有序的演化规律的新兴综合性学科 协同学适用于非平衡态中发生的有序结构或功能的形成 也适用于平衡态中发生的相变过程 哈肯的学派之一 著作有 激光理论 协同学 物理学 化学和生物学中的非平衡相变和自组织引论 32 2020 1 8 33 二 自然界的自组织1 有序和无序有序性是系统的一个基本特征 有序指的是系统各部分 要素 在空间上的分布比较有规则 形成确定的整体结构 或者在时间上的分布比较有规则 形成确定的整体变化程序 有序是时间和空间结构的规则性 组织性和确定性 无序是不规则性不确定性或混乱 有序和无序是系统的一对矛盾 是整体与部分的矛盾的展开 部分 诸要素 既有结合为整体形成有序结构的倾向 又有破坏整体 瓦解结构使系统趋于 34 无序状态的倾向 所以 有序体现了系统整体与部分统一的程度 任何系统都是有序和无序的不同程度的统一 系统的有序和无序是相对的 不存在绝对的有序和无序 系统的有序或无序是一个整体的概念 不是孤立的 系统的有序又表明系统内要素分布的不均匀性 系统的有序性还意味着要素分布和运动的某种一致性和协调性 系统的有序性还可以理解为系统整体 35 状态确定地对应于要素的组合 指系统的整体性状态确定地对应于要素的一个组合 系统就非常有序 现代自然科学用 熵 这个概念来表示系统的有序程度 现代自然科学用 熵 这个概念来表示系统的有序程度 36 一个系统的宏观状态不确定地对应许多微观状态 就显得混乱无序 如果向这一系统发送一个信息 命令 它确定地对应于一种微观状态 这就消除了系统状态的不稳定性 产生了秩序 这种信息叫做结构信息 可表示系统的有序性 结构信息量越大 系统越有序 信息可以看作熵的消除或负熵 n申农熵 H pilogpi i 1 37 2 自组织和他组织演化和系统是不能分开的 应是系统的演化或演化着的系统 任何系统的出现都有一个组织化或有序化的过程 一个系统可以是被组织出来的 也可能是自组织出来的 他组织 系统的空间结构 时间结构和功能结构 是在有特定的外界干预的情况下获得的 自组织 系统的空间结构 时间结构和功能结构 在构成过程中并没有特定的外界干预 而是一个自然自发的组织化 有序化和系统化的过程 38 3 自组织的条件 1 开放系统只有开放系统才可能具有发展潜力和实现自组织 封闭系统只会自发的走向混乱无序 系统开放并且有足够大的负熵流 是系统维持有序性或进化的必要条件 自组织的过程必须在开放之中才能进行 如贝纳德对流花纹 开放度k 输入阈值的开放度kc则kc k 1 39 2 远离平衡态平衡态或近平衡态的系统没有发展的活力 一定的开放程度是形成有序组织结构的必要条件 但绝非充分条件 如果外部条件 控制参量 加强并超过一定临界点 使系统越出近平衡的区域 到达远离平衡态 才可能出现自组织 40 系统远离平衡态时 一方面 其熵增过程增大 能量耗散加大 已有的结构瓦解加快 但另一方面 正是在远离平衡的条件下 系统又可能不断从外界引入负熵流 熵减过程也在加强 产生一种不断吐故纳新的活结构 即进入非常活跃的自组织活动 使系统脱离原来的无序或低序状态向有序或高序状态突变 系统处于远离平衡态 在较强的耗散中 利用负熵流建立和维持的有序结构称为耗散结构 普利高津提出 非平衡是有序之源 41 42 普利高津1917年生于莫斯科 1945年在比利时布鲁塞尔自由大学获得博士学位后留校工作 两年后被聘为教授 他主要研究非平衡态的不可逆过程热力学 提出了 耗散结构 理论 并因此于1977年获得诺贝尔化学奖 普利高津有句的著名论断 非平衡是有序之源 发现了只有在非平衡系统中在与外界有着物质与能量的交换的情况下 系统内各要素存在复杂的非线性相干效应时才可能产生自组织现象 并且把这种条件下生成的自组织有序态称之为耗散结构 正是由于在耗散结构理论的创立及非平衡热力学的重大贡献 他荣获得了1977年诺贝尔化学奖 43 普利高津的品德魅力之一是 他总是站在哲学的高度 善于理解和铨释他们取得的每项科研成果 并发展其独立见解的科学观 他的一生发表约1千篇论文 出版了20本专著 其中有多部与哲学相关的著作 44 国内有他的5本中译著 例如 从存在到演化 上海科技1986 探索复杂性 四川教育出版社 1986 确定性的终结 时间 混沌与新自然法则 上海科技教育出版社 1999 从混沌到有序 人与自然的新对话 上海译文1987 熵 一种新的世界观 上海译文出版社 1987 还有科学专著 非平衡系统的自组织 科学出版社 1986 等都在国内广为流传 这些著作一直在我国科学界和高校产生了深远而广泛的影响 45 3 涨落 或起伏 噪声 干扰 涨落是对系统稳定状态的偏离 它可以破坏系统的稳定性 也可以使得系统失稳而获得新的稳定性 涨落的出现通常是随机的 随机性的涨落就是前面所讲的条件的差异 有涨落才有对初始条件的敏感 涨落是系统演化的诱因和契机 46 科学家认为 解释复杂系统的突现 必须有一个自组织机制来补充自然选择机制 而所谓的自组织就是系统在远离平衡态和输入负熵的条件下 通过涨落或噪声及系统元素之间的自催化 交叉催化和超循环等形式的非线性协同相互作用 使系统发生分叉和突变 从而重新组织自己的实体 过程和力 形成新的有序结构的过程 47 4 非线性相互作用的实现线性的相互作用可以强化或弱化原有的功能 只有非线性相互作用才能导致系统向新的有序结构进化 非线性相互作用使系统具有滚雪球式的增长效应 非线性相互作用可以使过程的结果又影响过程的原因和过程本身 这就是反馈的作用 非线性的正反馈作用把微小的偏差或偶然性的涨落迅速放大 使系统失去稳定而形成新的有序结构 48 总之 由于正反馈和涨落的存在和出现 在非线性相互作用的过程中 一旦系统开启了自组织必须的能量之门 就会出现信息量倍增 自组织的浪潮便会奔涌而致 一发不可收拾 49 50 三 混沌和分形理论与系统演化 复杂性研究和自组织主要描述的是自然系统有序结构的产生 如果从演化的角度来考察系统 就会涉及到混沌 chaos 混沌论研究的对象 通常认为 混沌与无序 disorder 都表示紊乱 混乱和杂乱的意思 但是作为科学概念的混沌有它的特殊含义 它主要指 确定性系统有内在随机性 对初始条件的敏感性 初始条件经非线性作用逐级放大 演化的过程会导致有重大区别的结果 51 平衡态的混沌 即系统宏观没有演化而微观 内部 演化毫无规律 而混沌理论中的非平衡态的混沌则表现为系统宏观演化无规律而微观 内部 演化有规律 1 从时间上看 这种规律表现为长时段不可预测 其定义为 系统中的演化对初值具有极端敏感性 2 从空间上看 混沌状态是系统的自组织运动收缩到状态空间中有限区域的一种形式 科学上把它称为 奇异子 它奇异就在于可使系统中一切 在吸引子附近的运动轨线被吸引子所吸引 即具有把吸引子之外的附近运动积聚到吸引子态上的凝聚力 反映了极强的稳定系统运动的作用 52 一旦系统状态都吸入吸引子 则又向外排斥这些运动 所以系统宏观运动表现为 乱七八糟 而微观运动则有其内在的规律性 其空间结构呈现为一种 分形结构 53 由于自组织系统演化存在着途径的多样性 所以在自组织系统演化的现象上往往表现出一种丰富多彩的分叉行为来 使系统的演化呈现出一种 树形 结构 一种从简单到复杂 从少到多的不断分叉的图景 其空间维数不是整数 而是分数 这种分形 从几何角度看 则是那些具有不规则形体 内部具有层次结构与不均匀性的形体 现已发现 事物自组织地从简单向复杂演化时 其演化的 分叉 结构就是一种分形结构 54 分形与混沌又是度量自组织系统演化复杂程度的标准 分形理论表明 规则整形的事物只是这个世界的特例和理想的抽象 而不规则分形的事物才是世界的普遍现象分形的发现 从一个崭新的角度提供给我们度量自组织复杂性的理论工具 为我们判断一个系统是否自组织提供了一种图景性的理论根据 而混沌现象的揭示 则使我们进一步看到了系统的自组织演化的全过程 它包含三个阶段 两次飞跃 混沌 平衡态 有序 混沌 非平衡态 其图景则表现为一种从简单到复杂的分叉样态 55 56 四 复杂性研究的意义1 它丰富和发展了科学的世界观 使我们以新的视角认识辩证法的规律和范畴 改变了以往对必然性 规律性和决定论的看法 2 启示我们要重视机遇 57 集对分析 就是以数学方式研究这种不确定性 把辩证法与集合论联系在一起 从而形成了一种具有哲学根基和系统特色的处理不确定性的新数学理论 集对分析 也称之为联系数学 集对分析 简称 在我国属首创 其理论体系虽然有待完善 但为建立不确定性数学体系奠定了基础 58 在较长时间里 精确数学及随机数学在描述自然界多种事物的运动规律中 获得显著效果 但是 在客观世界中还普遍存在着大量的模糊现象 以前人们回避它 但是 由于现代科技所面对的系统日益复杂 模糊性总是伴随着复杂性出现 各门学科 尤其是人文 社会学科及其它 软科学 的数学化 定量化趋向把模糊性的数学处理问题推向中心地位 更重要的是 随着电子计算机 控制论 系统科学的迅速发展 要使计算机能像人脑那样对复杂事物具有识别能力 就必须研究和处理模糊性 59 我们研究人类系统的行为 或者处理可与人类系统行为相比拟的复杂系统 如航天系统 人脑系统 社会系统等 参数和变量甚多 各种因素相互交错 系统很复杂 它的模糊性也很明显 从认识方面说 模糊性是指概念外延的不确定性 从而造成判断的不确定性 60 集对分析理论在被不断推广应用 上海城市地质研究所龚士良高工把 用于上海市地面沉降的控制研究 上海地下水资源管理 浙江工业大学教授黄德才把 用于网络计划及控制研究 西南石油学院张鹏博士把 用于系统可靠性研究 河南安阳