第二章 科学理论的发展.doc

第二章 辩证唯物主义自然观的发展：系统自然观 要点 l 现代自然科学的发展和系统自然观的产生l 自然界的系统存在方式l 自然界的演化 第一节现代自然科学的发展和系统自然观的产生 系统自然观是辩证唯物主义自然观的发展。它根植于相对论、量子力学、分子生物学和以系统论、控制论、信息论、耗散结构理论、协同论、突变论、混沌理论等为代表的系统科学的基础之上。一、系统自然观产生的现代自然科学基础1、现代自然科学革命的概况 今天人类正探索着“渺观-微观-宏观-宇观-胀观”5个层次时空范围的客观世界。 人类探索存在的自然界的三个方向分别是：（1）向宏观层次方向发展：我们研究“分子-生物大分子-细胞-生物个体-种群-人类社会” ；（2）向宇观层次发展，我们研究“行星-恒星-星系-星系团-总星系，黑洞的形成，类星体和暗物质”；（3）向微观层次发展，我们研究“原子-原子核-基本粒子-夸克-”；（4）向非线性和复杂性方向发展，我们研究各种物质形态、层次、结构和功能以及信息的相互关系。l 宇观相对论否定了牛顿的绝对时空观，揭示了空间与时间、空间时间与物质运动、质量与能量之间存在的辨证联系；l 微观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、波动性与粒子性的辨证统一，突现了量子现象的整体性，打破了机械决定论的观念；l 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；l 宏观系统论以“系统”的观点看自然界，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；l 非平衡自组织理论不仅指出自然界的演化是自组织的、自己运动的，而且揭示了自然界的演化的自组织机制；l 混沌理论则提供了一种关于系统演化的分叉与混沌方式，它把简单性与复杂性、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新的更为深广的自然图景之中。二、系统自然观的基本内涵和思想 1、系统自然观的基本内涵：l 它揭示了自然系统不仅存在着，而且演化着；l 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；l 自然系统不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的；l 自然界是确定性与随机性、简单性与复杂性、线性与非线性的辩证统一。2、系统自然观的思想特征（1）从存在到演化 对称的可逆过程 v.s 非对称的不可逆过程（“时间之矢”“内部时间”）（2）确定性和随机性的统一 机械决定论 v.s 内在随机性（3）简单性和复杂性的统一 一元还原论 v.s 多元复杂性系统（4）线性和非线性的统一 线性观 v.s “非线性风暴” 三、系统自然观确立的重大意义1、丰富和发展了辩证唯物主义自然观l 系统自然观揭示了自然界的系统性、整体性和层次性，提出系统的物质观l 系统自然观揭示了自然界物质系统的开放性、动态性和自组织性，提出系统的运动观l 系统自然观揭示了时间的不可逆性，提出内部时间的时空观l 系统自然观揭示了自然界在循环发展中的有序与无序、进化与退化的统一，提出大循环思想2、提供了系统思维方式 l 结构功能的有机整体性和综合分析法l 系统的功能分析法l 动态的开放系统l 侧重无序、不稳定性、多样性、非平衡性和非线性研究第二节 自然界的系统存在方式一、实体与场的存在形式l 1）“实体”范畴的历史沿革及其基本内涵l 希腊文为ousia；拉丁文为substantia;英文为substance；l 中国古代哲学家亦用这个词，如王夫之说，一切“对立之象”“皆取给于太和氤氲之实体。”l 在西方哲学史上“实体”一般指万物的基础。唯物主义把它作为物质，如Democritus德谟克利特的原子（atom);唯心主义把它作为精神，如Plato柏拉图的理念（idea)；二元论者则认为世界上有两种实体：物质实体和精神实体。l Aristotle亚里士多德对实体的论述是相当卓越的，它包含三层意思：第一，实体是具体的“个体”；第二，它应该是物质的，即是客观存在；第三，它应该是原因与原则，即具有本源的性质。l 因此，我们当然认为实体是客观世界万物的物质基础。2）实体与场的比较二、系统：自然界物质存在的普遍形式1、何谓“系统”l 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。l 系统的四个要义：要素结构整体功能三、自然界物质系统的基本特点1、开放性自然系统具有物质、能量、和信息“三要素” ，根据系统于系统与外界是否交换物质、能量、和信息，可以将其分为孤立系统、封闭系统、和开放系统；现实的自然界是一个开放系统。2、动态性物质系统是动态系统，静态是特例；系统变化方向：进化与退化。3、整体性这是一切自然系统的普遍属性；不得将要素独立分解。4、层次性这是自然界的基本属性；纵向垂直层次结构与横向平行层次结构以及立体网络系统，形成自然的有序性关系；层次分界点是系统的质与量差异和变化之处；在一定条件下系统与层次相互转化。四、自然界物质系统的结构层次1、自然系统的结构和功能l 自然系统的结构l 整体系统的功能l 结构是功能的内在根据，功能是结构的外在表现。l 时空的系统性：同时态空间结构与历时态的时间结构空间秩序和时间秩序l 相互作用是事物的真正的终极原因：自然界四种相互作用形式引力相互作用、电磁相互作用、强作用与弱作用。2、无穷嵌套的立体网络结构的自然图景 自然界的普遍联系与相互作用构成自然界物质系统的层次结构。整个世界可以划分为非生命世界和生命世界。非生命世界又可以划分为基本粒子、原子核、原子、分子、凝聚态物体、行星系、恒星系、星系、星系团、超星系团、总星系等层次；生命世界又可以划分为生物大分子、细胞、组织、器官、个体、种群、生态系统、生物圈等层次。不同的层次之间具有不同的质的规定性和量的规定性，是部分与整体、间断性与连续性的统一。自然界物质系统之间及其与子系统之间、子系统与子系统之间的纵向联系与横向联系，形成了无穷嵌套的立体网络结构图景。 自然系统等级序列的上下边界不是封闭的，物质层次是不可穷尽的，自然界是无限的。3、方法论意义当代科学的发展趋势主要表现为：l *实体为中心 关系为中心l *分析解剖法 整体统观法l *打破经典学科间严格的界限，抽象其内在的统一规律。Wiener （维纳） 、Shannon（申农）、 Haken（哈肯）、 Eigen、 Prigogine（普里高津）等第三节自然界的演化 一、自然界的不可逆性和自然的进化 1 、“ 演化” 和“ 进化” l 进化= 发展（时间之矢）：上升的、从无序到有序、从低序到高序的不可逆过程。 l 演化= 变化：除进化外，还包括退化、混沌态等过程。 从有机小分子到有机大分子l 氨基酸分子通过脱水过程形成肽链，产生蛋白质。l 依据相似的基本原理，核苷酸相互结合形成核酸。从有机大分子到原始生命 这一阶段，目前尚缺乏可靠的科学证据，因此生命起源仍然是当代基础自然科学的重大课题。从原始生命到高级生命 这一阶段，完全可以由进化论和遗传学来阐述其构成机理。2、自然演化的不可逆性（1）可逆与不可逆（2）“时间之矢”（3）现实的自然过程是不可逆的3、自然界的进化：有序化和对称性的破缺l 自然界不仅存在着，而且演化着。自然界的系统演化，既有有序和进化，又有无序和退化。有序性就是对称性的破缺。对称性的破缺导致丰富多彩的自然现象。自然界不仅在空间上展开其多样性，而且有时间上的历史。时间是与不可逆过程相联系的有箭头（方向）的。现实的自然过程是不可逆的。局部的、暂时的、相对的可逆过程，并不否认自然界系统演化的不可逆性。进化是指复杂性与多样性的增长。自然界的系统进化，大体上由宇宙的起源、地球的起源、生命的起源、人类的起源构成，是微观系统与宏观系统的共济进化。分叉、突现是自然界的系统进化的基本方式，体现了稳定性与不稳定性、连续性与间断性、确定性与随机性的统一。二、自然系统演化的基本方式1、分叉：稳定性和不稳定性2、突现：突发性、间断性和不可预测性3、“内在随机性”：确定性和随机性 一般认为，非线性，不稳定性、不确定性是复杂性的根源。确定性的非线性系统能够内在产生出随机性，即所谓“内在随机性”。它体现了随机性存在于确定性之中，从根本上消除了拉普拉斯决定论的可预测性幻想。“分岔”结构进化过程混沌科学（CHAOS THEORY） l Lorenz和Poincar的混沌理论，是一项通过研究复杂的动力系统，揭示表面无序行为所蕴藏的有序性（非混沌状态）的技术。l 根据混沌理论，企业、组织都是复杂的、动态的、非线性的、共同作用的、极不平衡的系统， 它们的未来表现不可能通过过去的或现在的事件、行为来预测。在混沌状态中，组织行为既不可预测（混沌），又有一定规律（有序）。l “混沌理论是对确定性非线性动力系统中的不稳定非周期性行为的定性研究”（Kellert，1993）。在没有变量的情况下，系统运动是一项有规律的重复行为，通过研究认识这一系统状态，非周期性行为就变成了可以观察的对象。不稳定非周期行为则复杂得多： 它不做重复运动，不断展现出任何细微变化动乱对系统造成的影响。l 根据当代数学理论的定义，混沌系统就是对“对初始条件极度敏感”的系统。换句话说，为了精确预测系统的未来状态，需要知道它无限精确的初始状态，即便很小的误差，都将立刻导致预测错误。蝴蝶效应（ The Butterfly Effect） 三、自然演化的自组织机制 1、开放性、远离平衡态2、非线性相互作用3、涨落：生序原理l 自组织是自然界物质系统自行有序化、组织化和系统化的过程。一个远离平衡态的开放系统通过其与环境进行物质能量和信息的交换，能够形成有序的结构，或从低序向高序的方向演化。开放性、远离平衡态、非线性相互作用和涨落，是自然界物质系统演化的自组织机制。l 耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。可见，要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。 京津冀区域系统协调发展的耗散结构机制增加“负熵流”四、自然界循环发展的无限性1、恩格斯关于物质永恒循环的思想2、自组织理论和混沌理论：进化和退化的交替3、现代宇宙学对于宇宙未来演化