自然辩证法自然界的演化发展

1、自然界的演化发展谷晓芸1第一页，共八十四页。自然界的演化过程 自然界不仅是存在着，而且是生成着并消逝着。自然界是由一系列转化过程构成的“过程的集合体”，一切事物都有其产生发展灭亡的过程。这里以下面几个为例来说明一、宇宙的起源与演化二、恒星的起源与演化三、生命的起源与进化四、人类的产生与发展2第二页，共八十四页。一、宇宙的起源与演化 现代宇宙学是以广义相对论为基础的理论，以哈勃定律为观测依据，并在宇宙学原理的假设下，研究宇宙整体的结构、运动和演化规律的一门学科。现代宇宙学关于宇宙的模型较多，如 爱因斯坦静态有限无边宇宙模型弗里德曼膨胀宇宙模型恒稳态宇宙模型大爆炸宇宙模型 大爆炸宇宙模型为大多数科

2、学家所接受，通常称为“标准宇宙模型”。这里着重讲这个模型3第三页，共八十四页。爱因斯坦静态有限无边的宇宙模型（1917）这是历史上第一个关于宇宙运动自洽而统一的动力学模型。由于当时尚未发现河外星系普遍退行现象，爱因斯坦相信宇宙在大尺度上的特征是不应该随时间而变化的。1929年哈勃红移发现后，这个模型被抛弃。但这个模型开创了现代宇宙学研究。4第四页，共八十四页。弗里德曼膨胀宇宙模型（1922）弗里德曼在解爱因斯坦引力场方程时，得到一个均匀、各向同性的宇宙动态时空度规。由此得到宇宙空间随时间膨胀的观念，哈勃红移发现后，这个模型受到重视。奇点是演化态宇宙学的难题。注：哈勃定律： V0=cZ=H0D

3、其中V0是星系退行速度，c是光速，Z是谱线的移量，D是星系离我们的距离，H0是哈勃常数。 H0=15（千米/秒）/百万光年5第五页，共八十四页。恒稳态宇宙模型1948年英国天文学家H邦迪、霍伊尔、戈尔德共同提出。这个模型认为宇宙是不断膨胀的，其密度保持不变，好处在于不存在奇点问题，但困难在于如何说明物质从虚空中产生。这个模型已经证明是错误的。6第六页，共八十四页。勒梅特的大爆炸假说1927年，比利时天文学家勒梅特发表大爆炸(Big Bang)理论，认为宇宙在此之前是零体积，就是说宇宙内任何两点之间是零距离，物质密度是无限大，宇宙在此之前没有“从前”。突然间，这个零体积的原始原子发生爆炸(点无大

4、小)，不仅物质出现，时间空间的结构也存在了。勒梅特的假说是大爆炸理论的开始。 7第七页，共八十四页。伽莫夫的大爆炸假说1948年，美国物理学家伽莫夫等人受奥本海默的核爆炸研究工作的启发，把核物理知识与宇宙膨胀理论结合起来，提出宇宙起源于一个温度极高（约150亿度）、密度极大、由中子组成的原始火球的假说，这个假说发展了勒梅特的大爆炸理论，并说明了化学元素的起源。 伽莫夫8第八页，共八十四页。伽莫夫的大爆炸假说伽莫夫认为：“原始火球”充满了辐射和基本粒子，后来由于球内的基本粒子的相互作用发生核聚变反应，引起了爆炸，并向外膨胀；后来辐射温度和物质密度急速下降，热核反应停止，其间产生了各种元素，这些元

5、素的演变便形成了今天宇宙中的各种物质。 9第九页，共八十四页。根据大爆炸宇宙论，宇宙的演化经历了以下几个阶段：1）、基本粒子形成阶段2）、辐射或核合成阶段3）、实物阶段 从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：大爆炸宇宙论（big-bang cosmology ）：10第十页，共八十四页。大爆炸开始时 150200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。大爆炸后10-43秒 宇宙从量子背景出现。大爆炸后10-35秒 同一场分解为强力、电力、弱力和引力。大爆炸后10-5秒 10万亿度（1013 K），质子和中子形成。大爆炸后0.01秒 1

6、000亿度（1011 K），光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。大爆炸后0.1秒后 300亿度（31010 K），中子质子比从1.0下降到0.61。11第十一页，共八十四页。大爆炸后1秒后 100亿度（1010 K），中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。大爆炸后13.8秒后 30亿度（3109 K），氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。大爆炸后35分钟后 3亿度（3108 K），核过程停止，尚不能形成中性原子。大爆炸后30万年后 3000度（3103 K），化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，

7、并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。12第十二页，共八十四页。大爆炸理论中宇宙的演化历程13第十三页，共八十四页。大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：1）河外星系的谱线红移。观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。2）3K宇宙微波背景辐射。（彭齐斯、威尔逊） 3）氦的丰度。在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。4）天体的年龄。大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降

8、后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。14第十四页，共八十四页。二、恒星的起源与演化 根据弥漫说的理论（星云说），恒星的起源与演化可划分为引力收缩、主序星、红巨星、高密恒星等几个阶段。1、引力收缩阶段（原恒星） 星云物质在演化过程中，由于自身的引力而收缩。在收缩过程中内部温度升高，当云团中心温度达到2000K时，中心形成内核，来自恒星内部的辐射压将周围物质驱散，恒星逐渐露出，恒星“婴儿”“红外星”就诞生了。15第十五页，共八十四页。2、主序星阶段 当恒星中心温度达到700万度以上时，开始核聚变反应，氢聚变为氦，恒星

9、停止收缩，形成了正常的恒星，进入了主序星阶段。主序星阶段占恒星一生寿命的90%，是恒星最稳定的阶段。质量不同的恒星，主序星阶段长短不同。质量越大寿命越短。太阳约为100亿年。3、红巨星阶段 随着核聚变的进行，恒星中心的氦核越来越多，氦核周围的氢越来越少，当氦核质量占到恒星质量的12%时，反应便逐渐从中心区向外停止，从而辐射压力减少，恒星再次出现“引力坍缩”，释放出巨大的引力势能，使中心温度升高至上亿度，引起三个氦核聚变为一个碳核的新的核反应。恒星外层膨胀，体积急剧增大，表面温度降低，内部的引力和斥力又达到平衡。恒星脱离主序星阶段，进入了老年期红巨星。太阳将在这阶段停留约10亿年。16第十六页，

10、共八十四页。4、高密恒星阶段 质量小于1.44太阳质量的恒星则比较平稳地抛出物质，形成行星状星云，中央残核留有一颗致密天体白矮星。质量1.44m”可逆过程取“=”克劳修斯熵公式 只对系统的平衡态才有意义；克劳修斯熵是玻耳兹曼熵的最大值。72第七十二页，共八十四页。墒增原理熵是反映一个系统宏观态所具有的微观态数目，它与热力学几率的对数成正比，由于热力学几率愈大表示系统处于愈混乱的状态，所以熵是系统无序的量度。孤立系统与外界无物质和能量交换，因而，系统从一个平衡态经一绝热过程到达另一平衡态，它的熵永不减少。如果过程是可逆的，则熵的数值不变；如果过程是不可逆的，则熵的数值增加。73第七十三页，共八十

11、四页。宇宙热寂说1867年，克劳修斯关于热力学第二定律一文把熵增原理推广到整个宇宙，指出整个宇宙中的热运动，必然遵循熵增原理，宇宙中的熵总是只增不减，随着时间的推移，总有一天会达到最大值，到那时，宇宙中的一切变化都不会发生，就会进入一个死寂的永恒状态。此即所谓的宇宙热寂说。74第七十四页，共八十四页。熵的哲学理解熵的增加是能量退化的量度退化的能量是与熵成正比的；热源温度愈高它所输出的热能转变为功的潜力就愈大，即较高温度的热能有较高的品质。当热量从高温热源不可逆的传到低温热源时，尽管能量在数量上守恒，但能量品质降低。一切不可逆过程实际上都是能量品质降低的过程，热力学第二定律提供了估计能量品质的方

12、法。自然界的实际过程都是不可逆过程，即熵增加的过程，大量能源的使用加速了这一过程。而熵的增加导致了世界混乱度的增加。每利用一份能量，就会得到一定的惩罚把一部分本来可以利用的能量变为退化的能量；可以证明：退化的能量实际上就是环境污染的代名词。节约能源就是保护环境。而保护环境就是保护人类的生存条件，非同小可。75第七十五页，共八十四页。熵的哲学理解熵是事物无序度的量度熵与微观状态的对数成正比的，微观状态数越大，混乱度就越大。相反熵减小则有序度增加。以一个N个分子的物质系统为例：让其冷却，放出热量，先是碰撞次数减少，引起混乱的平均速率减小。继而变为液体时这时分子以振动为主，平动为辅，位置相对固定，有

13、序度增加，温度再降低时，分子在平衡位置附近振动更加序。事实上平衡态是最无序。76第七十六页，共八十四页。熵与耗散结构无机界、无生命的世界总是从有序向无序变化，但生命现象却越来越有序，生物由低级向高级发展、进化。以致出现人类这样高度有序的生物。意大利科学家普里高津提出了耗散结构理论，解释了这个问题。原来生命是一开放系统。其熵变由两部分组成，开放系统-与外界有物质和能量的交换的系统系统自身产生的熵，总为正值。与外界交换的熵流，其值可正可负。当系统远离平衡态时系统不断消耗能源与物质，从熵流中获取负熵，从而使系统在较高层次保持有序。薛定谔指出来的：“生命之所以免于死亡，其主要原因就在于他能不断地获得负

14、熵”。77第七十七页，共八十四页。自组织理论统科学理论包括“老三论”：信息论、系统论、控制论；“新三论”：耗散结构论、协同论、突变论；自组织理论：20世纪70年代以后兴起，研究自然物质系统演化过程中普遍存在的无序状态和有序状态相互转化的机制和条件问题。研究一个混乱无序的系统，在什么条件下，通过什么样的方式，会形成有序状态。自组织理论是一个学科群：耗散结构理论（比利时化学家普利高津，1977年诺贝尔化学奖）；协同学（德国物理学家哈肯）；混沌理论、超循环理论（德国科学家艾根）；突变论（法国数学家托姆 ）。78第七十八页，共八十四页。耗散结构理论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

15、(物理、化学、生物、社会、经济系统)通过不断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、空间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，需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称为“耗散结构”(dissipative structure)。79第七十九页，共八十四页。协同学 哈肯认为协同学是一门横断学科，它研究系统中子系统之间是怎样合作产生宏观的空间结构、时间结构或功能结构的。实际上，这里指的宏观的结构就是通常所说的自组织，即协同学研究的是系统中的子系统怎样通过协同使

16、系统从无序达到有序，或从一种有序达到另一种有序。什么是“协同”呢？协同就是“合作、竞争”，这样哈肯引入了两个基本概念：从合作引入序参量，从竞争引入支配原理。 80第八十页，共八十四页。突变论1972年，法国数学家托姆(Rene Thom)提出突变论。突变理论从量的角度研究各种事物的不连续的变化的，并试图用统一的数学模型描述它们。突变论以结构稳定性为基础，通过对系统稳定性的研究，说明系统的稳态与非稳态，渐变与突变的特征及其相互关系，揭示系统状态演变的内部因素与外界条件。81第八十一页，共八十四页。混沌学混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确

17、定性一不可重复、不可预测，这就是混沌现象。进一步研究表明，混沌是非线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍存在的现象。牛顿确定性理论能够充美处理的多为线性系统，而线性系统大多是由非线性系统简化来的。因此，在现实生活和实际工程技术问题中，混沌是无处不在的。 82第八十二页，共八十四页。混沌学 1960年，美国麻省理工学院教授洛伦兹研究“长期天气预报”问题时，在计算机上用一组简化模型模拟天气的演变。他原本的意图是利用计算机的高速运算来提高技期天气预报的准确性。但是，事与愿违，多次计算表明，初始条件的极微小差异，均会导致计算结果的很大不同。 由于气候变化是十分复杂的，所以在预测天气时，输入的初始条件不可能包含所有的影响因素（通常的简化方法是忽略次要因素，保留主要因素），而那些被忽略的次要因素却可能对预报结果产生重大影响，导致错误的结论。由此，洛伦兹认定，尽管拥有高速计算机和精确的测量数据（温度、风速、气压等），也难以获得准确的长期天气预报。83第八十三页，共