5－自然系统演化的规律性.ppt

自然辩证法课程 第五讲自然系统演化的规律性主讲姚莉萍同济大学法政学院 第1页 教学相长开拓创新 马克思主义理论部 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 本讲内容 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第1页 马克思主义理论部 本讲主要讨论四方面的内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 一 自然系统演化的一般特点 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第2页 马克思主义理论部 不可逆性系统是有序和无序的辩证统一系统演化是有序和对称破缺的辩证统一系统演化是进化和退化的辩证统一 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第3页 马克思主义理论部 1 不可逆性 可逆 是指系统由某一状态出发 发生了某种状态变化后 能够恢复到初始状态 并能消除系统对外界环境的影响 不可逆 是指系统由某种状态到达另一状态后 用任何方法都不可能使系统和外界完全恢复到初始状态 比如 一滴蓝墨水滴到清水中 蓝墨水颗粒会自动在水中扩散 最后水的颜色处处均匀 变成一杯淡蓝色的溶液 它决不会再凝结为一滴蓝墨水 煤炭燃烧放出热量 反过来放出的热量不可能再收回到煤炭 玻璃打碎不可能再恢复到原先完好的状态 自然界的事物运动普遍具有不可逆性 它是事物的基本属性 只有在一定条件下 忽略了某些因素之后才能把某些过程近似的看作是可逆的 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第4页 马克思主义理论部 时间箭头 时间箭头即时间的方向 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第5页 马克思主义理论部 牛顿力学体系 没有时间箭头绝对时空 时间在任何空间里都绝对均匀的流逝 有共同的 同时性 对于牛顿第二定律F md2r dt2来说 时间是t或 t 其结果都是不变的 即牛顿力学方程对于时间反演是不变的 它只描述了 存在 的世界 而没有描述 演化 的世界 在这里 自然界的一切变化都可以用机械运动来加以说明 时间作为运动的外部参量不会在物质运动中留下印记 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第6页 马克思主义理论部 爱因斯坦的相对时空观 没有时间箭头爱因斯坦狭义相对论指出 同时性 是相对的 广义相对论指出 物体运动影响时空曲率 时间结构也影响物体的运动 从而将时空与物质联系在一起 它仍未将 时间 与物质世界的复杂演化进程联系起来 相对论方程将t换成 t 会得出同样的结果 静态宇宙模型 膨胀或收缩 在此意义上 相对论仍然对于时间反演是不变的 它只描述了 存在 的世界 而没有描述 演化 的世界 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第7页 马克思主义理论部 克劳修斯的热力学定律 引入时间箭头19世纪 克劳修斯引入 熵 的概念 熵 是物质的性质 系统无序度增大的过程就是熵增加的过程 一个孤立的系统内部的分子热运动会随着时间的推移 形成走向无序的熵增加的不可逆运动 熵值越大 系统越趋于无序 而每个局部的熵减少 都须以其他地方的熵增加为代价 熵达到最大值时 系统处于热平衡状态 此时 系统最无序 在热力学中 熵 是系统的状态函数 描述系统的无序度 即熵值越大 系统趋向于无序状态 当熵值减少时 系统走向有序 但必须以消耗外部能量 以环境走向无序 为代价 现代科学中 熵的概念有了更广泛含义 熵可用来表示组成系统的大量微观粒子的无序度的量度 如在概率论中 熵可用作系统状态概率的量度 即系统内部混乱程度越高 熵越大 其出现概率越大 在信息论中 熵可用作某事件不确定度的量度 系统信息量越大 有序度越高 熵越小 信息意味着负熵或熵减少 熵 第8页 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第9页 马克思主义理论部 时间箭头的意义时间箭头有三种 热力学时间箭头 指向熵增大 且不可逆转心理学时间箭头 我们记住了过去而不是未来宇宙学时间箭头 指向宇宙膨胀而不是收缩自然界中的一切自发过程都具有不可逆性 但是 若不可逆过程发生在近平衡态附近 那么 它的作用会导致有序结构的破坏 不可逆过程发生在远离平衡态的非线性平衡区 则可以导致有序结构的产生 因此 时间箭头既可以指向退化方向 也可以指向进化方向 热力学主要研究了不可逆过程的消极作用 进化论主要研究了不可逆过程的积极作用 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第10页 马克思主义理论部 2 系统是有序和无序的辩证统一 有序 是指系统内部各要素之间有规则的相互联系和运动 包括时间有序 空间有序 功能有序等 静态有序 依靠降低系统原有能量 并尽量减少外界对系统的影响形成有序结构 且有序结构形成后只有在外界不影响时才能保持有序态 动态有序 由微观的不停运动而构成了系统宏观上稳定的结构 要依赖外界不断供给物质和能量来维持 无序 是指系统内部各要素之间混乱而无规则的排列 组合或系统无规则的运动 有序和无序的差异是相对的 在一定条件下可以转化 没有离开有序的绝对无序 也没有离开无序的绝对有序 自然物质系统的演化 便是不断打破稳态 建立新的稳态的过程 是有序与无序之间的转化过程 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第11页 马克思主义理论部 3 系统是有序和对称破缺的辩证统一 对称破缺 是指在一定变换下所表现出来的可变性 即对称性的下降 对称VS无序对称破缺VS有序完全对称的世界是没有任何秩序和结构的 也就没有有序结构 因此 完全无序的混沌状态对称性最大 自然界的有序化是对称破缺的表现 如 宇宙大爆炸思想认为宇宙起源于混沌 那时宇宙物质没有分化 没有空间时间的区分 没有上下左右的差别 没有正粒子反粒子的对立 宇宙处于处处对称的状态 对称 对称破缺 第12页 物质粒子遇到反物质粒会产生湮灭 因此 在同一小空间内就不会同时存在物质与反物质 我们见到的物质世界是一个对称破缺的世界 对称破缺是宇宙和大自然和谐运转的法则 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第13页 马克思主义理论部 4 系统演化是进化和退化的辩证统一 进化 是指系统演化从无序到有序 低序到高序 简单到复杂的发展 是事物复杂性和多样性的增长 退化 是指系统演化从高序到低序 有序到无序 复杂到简单的变化 是事物复杂性和多样性的减少 克劳修斯 热寂说 VS达尔文 进化论 热寂说 描述了一幅退化混乱的自然图景 宇宙的熵总是在增加 当宇宙的熵趋于最大值时 宇宙将达到热平衡 从而陷入 热寂 状态 其结构趋于消亡 宇宙系统趋于无序 强调不可逆过程的消极作用 恩格斯批判 热寂说 它违反了物质不灭和运动不灭的唯物主义观点 散发到太空中的热一定有可能通过某种途径转变为另一种运动形式 从而被重新集结和活动起来 进化论 认为 生物进化的结果使生物种类不断分化 结构不断有序 功能不断强化 直到产生出人这样的万物之灵 强调不可逆过程的积极作用 第14页 如 从猿到人是一个进化过程 但其部分功能 攀缘 牙齿等 具有退化的趋势 进化和退化的辩证统一 一方面 进化与退化相互包含 以进化为主的过程往往内在地包含着退化 而退化为主的过程中也常常包含着某些进化 另一方面 进化与退化同生共存 即系统的进化往往以环境某些方面的退化为代价 它们是同步发生的 再者 进化与退化的区别是相对的 在一定条件会相互转化 如 人类社会的进步是以消耗外部环境的资源为代价的 总之 进化与退化是自然系统演化的不同状态 它们的辩证关系构成了自然界丰富多彩的演化图景 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 二 系统进化的根据和条件 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第15页 马克思主义理论部 开放系统是系统进化的基本前提非线性相互作用是系统进化的根据 内因 涨落是系统演化的诱因 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第16页 马克思主义理论部 系统进化的必要条件 开放 系统必须与环境保持物质 能量 信息的交流才能进化 远离平衡态 平衡态时熵值最大 系统趋向无序 在非线性相互作用下 通过与环境交流 系统的熵减少 才可能从原有的混沌无序状态向有序状态转化 系统进化的根据 基本动力 内因 非线性相互作用 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第17页 马克思主义理论部 2 涨落是系统演化的诱因 随机动力 涨落涨落是系统自身的一种内在随机性 它无处不在 无时不有 是由运动的不灭性决定的 涨落是系统进化到更有序状态的诱因 如科学上的意外发现 有时会带来突变式的科学革命 涨落的随机性并非由人的认识反映不精确造成的 而是系统演化本身所具有的客观特性 第18页 科学演化的动力 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 三 系统演化到混沌的可能道路 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第19页 马克思主义理论部 混沌的基本特征演化到混沌的可能道路 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第20页 马克思主义理论部 混沌的基本特征 混沌 chaos 不是纯粹的无序 而是一种 非规则的有序 混沌理论是要揭示具有确定性的系统内貌似随机的现象背后所隐藏的规律 混沌学的产生对机械决定论是沉重的打击 它揭示了系统演化方向的不确定性 随机性 混沌的基本特征 对初始条件敏感 初始条件非常微小的变化便会引起未来状态极其巨大的差别 如天气预报 蝴蝶效应奇异吸引子 即混沌内在所隐蔽的有序性 如每天的天气可以有无穷多不可测的组态 但逐年的气候变化是有某种稳定性的 奇异吸引子往往具有无穷嵌套的自相似的分形结构 蝴蝶效应 一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶 偶尔扇动几下翅膀 可能在两周后引起美国德克萨斯的一场龙卷风 蝴蝶效应是气象学家洛伦兹1963年提出来的 他利用计算机的高速运算来提高长期天气预报的准确性 在1963年的一次试验中 为了更细致地考察结果 他把一个中间解0 506取出 提高精度到0 506127再计算 当他到咖啡馆喝了杯咖啡以后回来再看时竟大吃一惊 本来很小的差异 结果却偏离了十万八千里 再次验算发现计算机并没有毛病 洛伦兹认为 由于误差会以指数形式增长 在这种情况下 一个微小的误差随着不断推移却造成了巨大的后果 他于是指出这是 对初始值的极端不稳定性 即 混沌 又称 蝴蝶效应 第21页 假设一动力学系统从某个初始点出发 观察它长期运作的情况 你往往会发现 它最终围绕相空间中某个明确的形状游荡 例如 曲线可以向一个闭合环旋进 然后绕环永远兜圈子 而且 初始条件的不同会导致相同的终末形状 倘若如此 那形状就叫做吸引子 系统长期的动力学特性受其吸引子支配 吸引子的形状决定产生何种类型的动力学特性 吸引子的详细运动不可预先确定 但这并不改变它是吸引子这个事实 设想如果把一个乒乓球抛进波涛汹涌的大海 无论从空中向下丢球 还是从水下让球向上浮 球都会向海面运动 一旦到了海面之后 它就在起伏的波浪中经历一个很复杂的运动路径 但不管这路径多么复杂 球仍然留在海面上或至少很接近海面 在这一图景里 海面 就是吸引子 因此 尽管有混沌 不论出发点可能是什么 系统最终将接近它的吸引子 奇异吸引子 第22页 分形 非均匀分布 自相似层次结构局部与整体相似 局部的局部与整体相似包括数学分形与自然分形数学分形 构造方法有规则 自相似层次无穷多自然分形 自相似层次是有限的 分形 fractal 第23页 数学分形 自然分形 布朗运动路线图 海岸线 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第24页 马克思主义理论部 2 演化到混沌的可能路径 倍周期分叉 系统运动变化的周期行为是一种有序状态 但随着控制参数的不断变化 运动周期逐次加倍 系统就会丧失周期行为而进入混沌状态 阵发混沌 当某些控制参数的变化达到特定临界域值时 系统会时而有序 时而混沌地随机振荡 阵发混沌与倍周期分叉产生的混沌是伴生现象 在具有倍周期分叉的系统中 大多可发现阵发混沌的现象 茹勒 泰肯道路 准周期失稳道路 当系统内有不同频率的振荡互相耦合时 系统就会出现新的耦合频率的运动 它的特征是通过准周期运动的失稳而进入混沌 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 四 自然系统演化的循环性 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第25页 马克思主义理论部 自然界循环发展的普遍性自然界循环发展形式的多样性循环的不可逆性和无限性 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第26页 马克思主义理论部 1 自然界循环发展的普遍性 循环 是指周而复始的周期性变化 这种周而复始不是简单的重复 而是 肯定 否定 否定之否定 的循环运动 恩格斯将物质循环看作是自然界演化的一般规律自然界普遍存在着循环的现象 例如 恒星演化 是从原始的弥漫物质星云 演化到恒星 再进一步演化消亡回到弥漫物质星云 本讲内容自然系统演化的一般特点系统进化的根据和条件系统演化到混沌的可能道路自然系统演化的循环性阅读与思考致谢 第1页 蒙太格语法 MG 研究 第27页 马克思主义理论部 2 自然界循环发展形式的多样性 循环在质上的多样性 机械运动 化学运动 生命运动等形式在循环发展上具有质的不同 如DNA自我复制循环是