09-10a03讲 系统自然观——自然界的存在与演化.ppt

课程作业 结合自己所学的专业 完成一篇和自然观内容有关的论文 题目自拟 交作业时间 11月23日要求 交作业时一定写清姓名和学号 字数 3000字左右 交电子版 发到任课教师电子信箱 E mail ziranbianzhengfa09 第三讲系统自然观 自然界的存在与演化 思考题 1 现代科学技术成果对恩格斯自然观的丰富与发展 举例说明 2 分析系统 要素 结构 功能 环境等概念的含义及其相互关系 3 系统的层次性 系统层次之间的相互关系 4 如何用耗散结构理论解释系统新的有序状态 或稳定性 的形成 耗散结构形成的条件 5 自然物质系统演化的基本图景 6 自然物质系统的演化遵循那些基本规律 引言辩证唯物主义自然观的丰富与发展 系统自然观产生的现代自然科学前提 世纪之交的物理学革命相对论量子力学分子生物学系统论非线性自组织理论混沌理论 一 物理学新发现和物理学革命 1 世纪之交物理学三大发现X射线 1895 德 伦琴放射性 1896 法 A H 贝克勒尔 最离奇的一次科学发现 电子 1897 英 J J 汤姆逊2 物理学上空的 两朵乌云 以太漂移 的否定结果 1887 M M黑体辐射和 紫外灾难 1900 瑞利3 物理学革命 相对论 量子力学诞生 1 相对论 爱因斯坦 AlbertEinstein 1879 1955 1905年创立狭义相对论两个基本原理 爱因斯坦相对性原理光速不变原理洛仑兹变换方程组时空观的变革 尺缩效应 钟慢效应 质增效应 质能关系式 两个基本原理 1 爱因斯坦相对性原理 物理体系的状态据以变化的定律 同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速运动着的坐标系中的哪一个并无关系 2 光速不变原理 任何光线在 静止的 坐标系中都是以确定的速度C运动着 不管这道光线是由静止的还是由运动的物体发射出来的 洛仑兹变换方程组 y y z z 时空观的变革 尺缩效应 钟慢效应 质增效应 质能关系式 E mc2 广义相对论 1916年 爱因斯坦建立广义相对论验证 水星轨道近日点的反常进动光在引力场中传播时发生频移光线在引力场中发生偏转 物理学史简编 P702 相对论否定了牛顿的绝对时空观 揭示了空间与时间 空间时间与物质及其运动 质量与能量之间存在的辩证关系 2 量子力学 普朗克 MazK E L Planck 1858 1947 1900年12月4日 关于正常光谱的能量分布定律的理论 提出能量子基本假设 h 量子力学诞生 经过一批科学家的努力 到20世纪20年代 量子力学体系被建立起来 量子力学标志了对微观世界认识的深入 揭示了连续性与间断性 波动性与粒子性的辩证统一 凸现了量子现象的整体性 打破了机械决定论的观念 微观粒子的波粒二象性 德布罗衣 deBroglie 1924年提出了具有静止质量的微观粒子 如电子 如同光一样也具有波粒二象性 德布罗衣波长公式 h m 波性 物性 其中 h为普朗克常数 6 625 10 34J s 为波长 m为质量 为运动速率 德布罗衣的预言1927年被电子衍射实验真实 1929年获得诺贝尔奖 例 根据德布罗衣波长公式 h m 宏观物体 子弹 m 10g 300m s 2 10 25nm 宏观物体 人 m 50kg 10m s 1 3 10 27nm 微观物体 电子 m 9 1 10 31kg 1 0 106m s 0 73nm 直径约10 6nm 结论 宏观物体 因其质量和体积大 它们所显示的波动性极微 通常不予以考虑 二 分子生物学 分子生物学由细胞水平深入到分子水平 在生物大分子层次上揭示了生物界基本结构和生命活动的高度一致性 1 生命遗传规律的探索 2 分子生物学的建立 1953 DNA 3 基因工程的发展转基因动物转基因植物克隆技术干细胞研究 三 系统论 系统论以 系统 的观点认识自然界 提出了系统与要素 结构与功能等新的范畴 揭示了自然界物质系统的整体性 层次性 动态性和开放性 四 非线性自组织理论 耗散结构理论协同学突变论超循环理论 无序有序 五 混沌理论 混沌理论 混沌理论提供了一种关于系统演化的分叉与混沌方式 他把简单性与复杂性 有序性与无序性 确定性与随机性 必然性与偶然性等统一在更为深广的自然图景之中 此部分内容后边讲 有序无序 现代自然科学 特别是系统科学的发展 一方面揭示了系统是物质存在的基本形式 另一方面也为揭示自然界运动变化的原因问题提供了科学的方法 揭示出自然界物质的相互作用是复杂的 立体的因果网络 是系统的 整体的因果联系 现代自然科学 特别是系统科学的发展 还深刻地触及了自然界运动和演化的方向问题 恩格斯指出 自然界不是循着一个永远一样的不断重复的圆圈运动 而是经历着实在的历史 自然界运动演化方向性的揭示 是辩证唯物自然观新发展的又一重要内容 自然观的产生和一定时代的科学发展水平相适应 随着自然科学的发展 辩证唯物主义自然观在不断地接受着检验并不断得到发展 系统自然观要回答的主要问题 自然界存在的是什么 如何存在 怎样看待这种存在 对第一个问题的回答 自然界的物质形态对第二个问题的回答 自然界物质的系统性 自然物质系统的层次性 自然物质系统的演化发展 第一节自然界的物质性 自然界的物质性自然界物质形态的多样性与统一性 1 自然界的物质性 1 历史上对物质概念的不同理解 2 列宁的物质定义 3 在理解列宁物质定义时应注意以下几个方面根本特性 客观实在性物质可知克服形而上学的局限性认识自然的逻辑起点 列宁的物质定义 物质是标志客观存在的哲学范畴 这种客观存在是人通过感觉感知的 他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 物质是不依赖于人的意识并且为人的意识所反映的客观存在 2 自然界物质形态的多样性与统一性 1 自然界物质形态的多样性 可以通过各种分类方法进行考察 实物与场非生命世界与生命世界非生命世界系列 生命世界系列 根据物质聚集状态划分 2 自然界物质形态的统一性 世界的物质统一性 自然界物质形态的统一性 各种特殊的物质形态之间有密切的相互联系和其他方面的共同点 宇宙物质化学上的同一性场与实物能量守恒与转化原理 质量亏损 第二节自然界物质的系统性 系统是自然界物质的普遍存在方式和物质之间普遍联系的基本方式 物质系统物质系统的基本特征物质系统的类型 1 物质系统 物质系统 以系统方式存在着的物质世界 L 贝塔朗菲 系统是 处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各组成部分 要素 的总体 集 掌握系统概念的关键 理解系统的基本特征 2 物质系统的基本特征 整体性 相互作用 1 整体性 自然物质系统是具有不可还原的性质的整体 整体与部分的构成关系 加和性非加和性 2 相互作用 要素 部分 与要素 部分 之间的相互作用 结构 空间结构 时间结构 时空结构 系统作为整体与外部环境作用 功能系统作为整体与内部作用 内部功能环境 与系统或系统的组成部分发生相互作用而又不属于这个系统的所有事物的总和 系统 结构和功能的统一 要素 结构 功能与环境 完备地规定一个系统所必须的 注意 1 只有那些有物质 能量 信息交换且造成新属性突现的联系 才能构成系统 2 系统概念的要义并不是一般地强调联系 而是强调那种具有新质突现的联系 3 自然物质系统的类型 分类 考察自然界的有效方法 对系统可从不同角度进行分类 从系统内进行的实际过程分 从系统与环境的关系分 从系统所处的状态分 从人对系统的认识程度分 从人与物质系统的关系分 第三节自然物质系统的层次性 物质系统的层次物质系统层次之间的辨证关系层次结构的因果链 一 物质系统的层次结构 层次结构 若干由要素经相干性关系构成的系统 再通过新的相干性关系构成新系统的逐级构成的结构关系 反映了客观存在着的自然界的等级结构 层次性 具有质的差异的不同的系统等级或系统中的等级差异性 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 二 物质系统层次之间的辨证关系 1 物质系统层次是间断性与连续性的统一 1 物质系统层次的间断性 不同层次的物质系统 质量范围与空间尺度范围不同见图表具有不同的结构 发挥不同的功能遵循不同的运动规律 物质系统层次是间断性与连续性的统一 2 物质系统层次的连续性物质系统层次之间具有从属关系 每一个层次的物质系统在一定条件下都能和相临层次的物质系统发生转化 还往往表现在多个层次之间发生着相互联系和相互作用 2 物质系统层次是有限性和无限性的辨证统一 物质系统层次的有限性 对于每一个具体层次的物质系统来说 其在质量范围 空间尺度 结构和功能等方面都是有限的 物质系统层次的无限性 对于整个自然界来说 对自然界物质系统的层次的认识是不可穷尽的 任何一个具体的物质系统层次 都只不过是无限的自然界物质系统层次系列上的一个 关节点 3 层次结构的因果链 上向因果链 低层次物质系统作为原因 可以在高层次系统中引起一定的结果 可以决定高层次物质系统的特有规律 下向因果链 高层次物质系统对低层次物质系统的限制和影响 双向因果链一方面造成了层次之间的差别 另一方面也沟通了层次之间的联系 第四节自然物质系统的稳定性与可变性 物质系统的稳定性物质系统的可变性 一 物质系统的稳定性 物质系统的稳定性 物质系统在一定环境下能够保持某种稳定状态的特性 系统稳定性的衡量 根据对涨落的不同反应恒稳态 亚稳态 不稳定状态 物质系统稳定性之源非线性自组织理论 稳定性的衡量 涨落 宏观变量对平均值的起伏 物质系统的稳定性 就是对涨落的不变性 三种状态 根据系统对涨落的反应划分 恒稳态 亚稳态 不稳态 对于稳定状态 涨落将被收敛平息 从而使物质系统的运行表现为向某种状态的自发回归 为什么 非线性自组织理论 耗散结构理论 普利高津 结构 耗散和生命 1969年 协同学 H 哈肯 超循环理论 艾根 自组织 自组织现象 在一定条件下系统通过自我组织而自发形成一种 有序结构 的现象 自组织现象普遍地存在于自然界之中 生命世界 生物个体 生物群体 非生命世界 流体力学中的 贝纳德对流 物理系统中的 激光 化学系统中的 B Z反应 化学振荡 耗散结构理论 一个远离平衡态的开放系统 通过不断与外界交换物质与能量 在外界条件的变化达到一定阈值时 可能从原有的混乱无序的杂乱状态 转变为一种时间 空间上或功能上的有序状态 这种在远离平衡情况下形成的新的有序结构 称为 耗散结构 普利高津 结构 耗散和生命 1969 物质系统稳定性的产生和耗散结构的存在密切相关 从状态上看从产生条件上看从过程上看 耗散结构理论使人们对物质形态的稳定性的认识建立在比较科学的 定量的 且正在发展的基础之上 注意 物质形态的稳定性既是动态的 又是相对的 是相对于一定范围而言的 稳定 失稳 再稳定 二 自然物质系统的可变性 所有物质形态永远都处于这样或那样的运动变化之中一方面 一切物质系统都以各种各样的运动作为自己的存在方式另一方面 就其本质来说 这种可变性就意味着转化 1 运动形式的多样性 19世纪末 恩格斯曾根据当时科学发展的水平 把自然界的基本运动形式分为四种 机械运动 物理运动 化学运动 生物运动 今天我们可将自然物质系统的运动区分为六种基本形式 机械运动 微观物理运动 宏观物理运动 宇观物理运动 化学运动 生物运动 社会运动 渺观层次 涨观层次 各种物质运动形式之间的关系 差异性 相互区别 统一性 相互联系 一方面 比较复杂的 高级的运动形式包含着相对简单的 低级的运动形式 另一方面 各种运动形式之间还有着相互转化 2 存在就是转化 1 进化 低级高级简单复杂 这里的 进化不仅仅指生物物种的进化 而且指在我们认识到的宇宙范围内出现 存在 变化或消失了的所有事物的进化 进化序列呈现出两方面规律 第一 结合度递减规律 各层次结合的紧密程度 结合度 不同 随着层次由低到高推进 结合度由大到小而递减 第二 新物质系统层次的出现 既意味着某种简化的可能 又意味着某种复杂化的开始 存在就是转化 2 退化 高级低级复杂简单 主要体现在物质系统的衰亡 瓦解和重建过程中 第五节自然界的演化图景 先观看 人与宇宙 考虑下列问题 宇宙的起源和演化星系的起源和演化恒星的起源和演化地球的起源和演化生命的起源和演化 一 宇宙 总星系 的起源和演化 1 基本离子形成阶段 2 元素起源阶段 3 实物阶段 4 宇宙未来阶段 取决于今天观测到的宇宙密度 开放型宇宙 振荡型宇宙 宇宙热历史 支持大爆炸宇宙论的观测事实 河外星系的谱线红移 1929 哈勃 宇宙中普遍存在着30 的氦丰度 绝对温度3度的微波背景辐射 二 星系的起源和演化 在 康德 拉普拉斯星云说 基础上的进一步发展 三 恒星的起源和演化 星际弥漫物质星云原恒星引力收缩 红外星 主序星红巨星白矮星超新星爆发黑矮星星际物质中子星黑洞 四 地球的演化 天文时期 地球内部圈层的形成和演化地球外部圈层的形成和演化 地质时期 垂直运动水平运动 大陆漂移说海底扩张说板块构造说 五 生命的起源和生物的进化 起源 简单小分子有机小分子生物大分子原始生命演化 细胞的形成真核细胞的出现多细胞体的形成动物 植物 细菌的分别进化动物植物细菌 光合作用 第六节自然界演化的基本特征与规律