第二讲-系统统自然观.ppt

第二讲系统自然观,一、系统科学发展和系统自然观的产生1、系统科学的产生与发展2、系统自然观的基本内涵和思想二、自然系统的存在方式三、自然系统的演化方式四、系统自然观确立的重大意义,一、系统科学发展和系统自然观的产生,1、系统科学（复杂科学）的产生与发展,（1）系统科学的产生和发展16世纪文艺复兴之后的近代欧洲科学革命，是建立在经典力学和机械唯物主义自然观基础上的科学体系。其主要特征：还原论、可逆性、简单性、线性有序性、因果决定论、绝对客观性等等。认为复杂性是现实的表面现象，追求结果的简单性和统一性则构成了它的本质特征。系统科学是以系统为研究对象的一类新型的科学群。是20世纪中叶以来发展最快的一大类综合性科学。它包括系统论、信息论、控制论、耗散结构论、协同论以及运筹学、系统工程、信息传播技术、控制管理技术等等许多学科在内。,系统科学的发展主要包括以下三个阶段：第一阶段：研究存在：20世纪4060年代，系统论、信息论、控制论可以看作系统科学的理论奠基。1948年，加拿大籍奥地利人，贝塔朗菲创立“系统论”：是研究系统的一般模式、结构和规律的学问，它研究各种系统的共同特征，用数学方法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门科学。1948年，美国，申农“信息论”:是运用概率论与数理统计的方法研究信息、信息熵、通信系统、数据传输、密码学、数据压缩等问题的应用数学学科。1948年，美国，维纳创立“控制论”:是研究各类系统的调节和控制规律的科学。它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科,第二阶段：研究演化：6080年代，以耗散结构理论、协同学、超循环和突变论为代表的自组织理论先后兴起。自组织理论第一次将生命性、演化、历史和选择等概念引入科学，从而在更根本的意义上架设了生命与非生命之间、物理学与生物学之间、科学与人文之间的桥梁；1969年，普里高津“耗散结构理论”；它探索远离平衡态系统的非线性相互作用的自组织特性。1977年，德国，哈肯“协同学”；它研究系统从一种组态向另一种组态转换过程中各组成部分协同行为的规律。70年代开始，德国生物物理化学家曼弗雷德艾根提出超循环理论，解释生命起源问题，即生命如何从物理和化学的层次突现出来的问题。超循环论认为，在化学进化之后，存在一个生物大分子的自组织进化。在这个进化过程中，原始的蛋白质和核酸之间的相互作用形成了某种超循环组织，这种超循环组织能够稳定地、协同整合地朝着自我优化的方向进化。艾根认为，这个超循环的自组织进化阶段，是理解自然界由化学进化过渡到生物学进化的关键。60年代末法国数学家R.托姆为了解释胚胎学中的成胚过程而提出突变论:它研究跳跃式转变、不连续过程和突发的质变，它的基础是结构稳定性。结构稳定性反映同种物体在形态上千差万别中的相似性。突变论的数学基础是奇点理论和分岔理论。,第三阶段：8090年代，混沌、分形、孤立子理论及复杂网络迅速发展起来，形成了系统科学发展的第三个阶段。20世纪60年代，洛仑兹、梅、费根鲍姆“混沌理论”；是系统从有序突然变为无序状态的一种演化理论，是对确定性系统中出现的内在“随机过程”形成的途径、机制的研讨。混沌理论认为在混沌系统中，初始条件十分微小的变化，经过不断放大，对其未来状态会造成极大的影响。“蝴蝶效应”：一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，会使更多蝴蝶跟着一起轻拍翅膀。最后将有数千只的蝴蝶都跟着那只蝴蝶一同振翅，其所产生的巨风可以导致一个月后在美国德州发生一场龙卷风。“钉子效应”：丢失一个钉子，坏了一只蹄铁；坏了一只蹄铁，折了一匹战马；折了一匹战马，伤了一位骑士；伤了一位骑士，输了一场战斗；输了一场战斗，亡了一个帝国。,(2)系统及其特点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，系统的特点是：第一,系统是由若干要素组成的；第二,各要素之间、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；第三,要素彼此之间联系成为一个统一的有机整体;第四,系统作为一个整体对环境表现出特定的功能.,1、系统科学（复杂科学）的产生与发展,2、系统自然观的基本内涵和思想,(1)自然界是以系统形式存在的；(2)自然系统不仅（静态）存在着，而且（动态）演化着；(3)自然界演化具有自组织、自我运动、自我创造的特点；(4)自然系统不仅是确定的，而且有不可预测的随机性；(5)自然系统不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的。,第二讲系统自然观,一、系统科学的发展和系统自然观的产生二、自然系统的存在方式1、系统是自然界的普遍存在形式2、自然系统的基本特点3、自然系统的结构和功能三、自然系统的演化方式四、系统自然观确立的重大意义,二、自然系统的存在方式,1、系统是自然界的普遍存在形式,自然界大系统,总星系系统,超星系团,星系团,银河系,太阳系,地球,生态系统,群体,个体,器官,自然界是无穷嵌套的系统，形成立体网络结构,太阳,水星,金星,地球,火星,木星,土星,天王星,海王星,冥王星,农业系统,生产子系统,管理、服务子系统,科学、教育子系统,农业生产系统,产前子系统,产后子系统,产中子系统,农业产中系统,种植业,林木业,低等生物业,畜牧业,水产业,二、自然系统的存在方式,2、自然系统的基本特点,自然物质系统,能量要素,信息要素,物质要素,（1）开放性：等结果性，不同的初始条件可能达到相同的最终状态。外部特征：交换；内部特征：新陈代谢（2）动态性：运动、发展、变化；进化与退化（3）整体性：整体大于部分之和（4）层次性：纵向层次、平行并列层次,二、自然系统的存在方式,3、自然系统的结构和功能,结构,功能,（1）自然系统的结构：要素之间联系和作用的组织形式、秩序。主要作用：引力相互作用（天体）；电磁相互作用；（分子）弱相互作用（原子内部）；强相互作用（原子内部）主要结构类型：同时态的相对稳定的空间结构；历时态的运动演化的时间结构。,（2）自然系统的功能：与外部环境相互作用中表现出来的性质、能力和功效。体现了系统与外部物质、能量、信息的输入与输出关系。,第二讲系统自然观,一、系统科学的发展和系统自然观的产生二、自然系统的存在方式1、系统是自然界的普遍存在形式2、自然系统的基本特点3、自然系统的结构和功能三、自然系统的演化方式四、系统自然观确立的重大意义,第二讲系统自然观,一、系统科学的发展和系统自然观的产生二、自然系统的存在方式三、自然系统的演化方式1、自然系统的演化与进化2、自然演化的自组织机制3、自然系统演化的基本方式：分叉、突现和内在随机性四、系统自然观确立的重大意义,三、自然系统的演化方式,1、自然系统的演化与进化,自然系统1,自然系统2,演化,进化：上升的、从无序到有序、从低序到高序的不可逆过程或复杂性和多样性的增长。宇宙、地球、生命、人类,退化：下降的、从有序到无序、从高序到低序的过程,时间之矢不可逆性有序化不对称性（对称性破缺）,宇宙演化生命进化社会发展的不可逆性时间之矢,三、自然系统的演化方式,2、自然演化的自组织机制p32,自然系统1,自然系统2,演化,(1)必要条件:开放性(2)外部原因:远离平衡态（环境影响）(3)内在根据:非线性相互作用（相干作用）(4)内部机制:正负反馈(5)直接诱因：内部涨落在系统远离平衡态的情况下,内部因素微小的涨落会导致新系统的产生，即“生序原理”。,自组织是开放性的自然界物质系统自发地或自主地有序化、组织化和系统化的过程。其机制在五方面：p34-36,三、自然系统的演化方式,3、自然系统演化的基本方式：(1)分叉自然系统进化中的不断分化，产生多种可能性和分支的演化形式,自然系统1,自然系统2（1）,演化,自然系统2（2）,稳定,不稳定,稳定,分叉,进化树的分叉,三、自然系统的演化方式,3、自然系统演化的基本方式：(2)突现自然系统中新形态、结构和性质作为整体的突然出现。,自然系统1,自然系统2,渐变演化,自然系统1,突变演化,突发性间断性不可预测性新情况新物种,三、自然系统的演化方式,3、自然系统演化的基本方式：(3)内在随机性p60对于确定性的非线性系统，即使没有外部的随机作用，系统内部也会产生内在随机性，如量子力学。,自然系统1,自然系统2,线性演化,自然系统1,非线性演化,相互作用的量之间没有比例不确定性偶然性,相互作用的量之间有比例确定性必然性,第二讲系统自然观,一、系统科学的发展和系统自然观的产生二、自然系统的存在方式三、自然系统的演化方式1、自然系统的演化与进化2、自然演化的自组织机制3、自然系统演化的基本方式：分叉、突现和内在随机性四、系统自然观确立的重大意义,第二讲系统自然观,一、系统科学的发展和系统自然观的产生二、自然系统的存在方式三、自然系统的演化方式四、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2、系统自然观提供了系统思维方式,四、系统自然观确立的重大意义,(1)揭示了自然界的系统性、整体性和层次性，丰富和深化了辩证唯物主义的物质观。(2)揭示了自然界物质系统的开放性、动态性和自组织性，极大地丰富和深化了辩证唯物主义的运动观。(3)揭示了时间的不可逆性，丰富和深化了辩证唯物主义的时空观。(4)揭示了自然界在循环发展中有序与无序、进化与退化的辩证统一，论证了辩证唯物主义自然观关于运动、发展的大循环思想。,1、丰富和发展了辩证唯物主义自然观。,(1)系统思维方式，即把对象当作一个系统的整体加以思考，根据系统的性质、关系、结构，把对象的各个组成要素有机地组织起来，构成模型，研究系统的功能和行为，它是具有整体性、综合性、定量化和精确化特征的思维方式。(2)系统思维方式认识研究对象的基本思路：第一，把对象作为要素以一定的联系组成的结构与功能的统一整体(系统)来考察，从整体、部分、环境的相互联系、相互制约、相互依赖的关系中，揭示对象的整体性质和运动规律。第二，整体具有不同于各要素功能简单相加的新功能。第三，把所观察的系统都看作动态的开放系统，任何系统都处于一定环境之中，它与外界环境有着千丝万缕的联系。