(自然辩证法)2第二章 现代科学技术与自然观的发展

1、第二章 现代科学技术与自然观的发展 19世纪末20世纪初，物理学出现三大新发现和两个问题，彻底地变革了科学的自然图景，推动自然科学进入现代自然科学发展的新阶段。 【案例与讨论】1、物理学晴空中的“两朵乌云”“完美”的经典物理学 19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家W汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，”“第二朵乌

2、云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。”W汤姆生在1900年4月曾发表过题为19世纪热和光的动力学理论上空的乌云的文章。他所说的第一朵乌云，主要是指A迈克尔逊实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。开尔文是19世纪英国杰出的理论物理和实验物理学家，是一位颇有影响的物理学权威，他的说法道出了物理学发展到19世纪末期的基本状况，反映了当时物理学界的主要思潮。 物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相

3、应的理论中得到满意的回答。例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。至于热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够做出合理的说明。总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观！在这种形势下，难怪物理学家会感到陶醉，会感到物理学已大功告成，因而断言往后难有作为了。这种思想当时在物理界不但普遍存在，而且由来已

4、久。 普朗克曾在1924年做过一次演讲。在演讲中，他回忆1875年在慕尼黑大学学物理时，物理老师P约里（Philippvon Jolly,1809-1884）曾劝他不要学纯理论，因为物理学“是一门高度发展的、几乎是臻善臻美的科学”，现在这门科学“看来很接近于采取最稳定的形式。也许，在某个角落里还有一粒尘屑或一个小气泡，对它们可以去进行研究和分类，但是，作为一个完整的体系，那是建立得足够牢固的。而理论物理学正在明显地接近于几何学在数百年中所已具有的那样完美的程度。”普朗克的另一位名师，柏林大学的G基尔霍夫（Gustay Robert Kirchhoff,1824-1887）也说过类似的话，他说“

5、物理学已经无所作为，往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。”尽管开尔文对物理学成就的评价言之过激，但他能够在此万晴空中发现“两朵乌云”并为之忧心忡忡，足见他富有远见。物理学发展的历史表明，正是这两朵小小的乌云，终于酿成了一场大风暴。 第一朵乌云迈克耳逊莫雷实验与“以太”说破灭 人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质“以太”。 最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。亚里士多德认为下

6、界为火、水、土、气四元素组成；上界加第五元素，“以太”。牛顿在发现了万有引力之后，碰上了难题：在宇宙真空中，引力由什么介质传播呢？为了求得完整的解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样，是由“以太”传播的。他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量，可以绝对渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者，又具有机械力学的性质，它是绝对静

7、止的参考系，一切运动都相对于它进行。这样，电磁理论因牛顿力学取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。 但是，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。 为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克耳逊（AAMichalson，18521931）与美国化学家、物理学家莫雷（EWMorley,18381923）合作，在克利夫兰进行了一个著名的实验：“迈克耳逊莫雷实验”，即“以太漂移”实验

8、。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而，根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，实验结果否定“以太”之存在是毋庸置疑的。 迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个著名实验面前，真是一筹莫展。 第二朵乌云黑体辐射与“紫外灾难” 在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如

9、煤炭对电磁波的吸收率可达到80左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100的理想物体。真正的黑体并不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出。 19世纪末，卢梅尔（Lummer ，18601925）等人的著名实验黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。 怎样解释黑体辐射实验的结果呢？当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。前提和出发点不正确，最后都导致了失败的结果。

10、例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利一金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。讨论题 1近代.形而上学自然观的科学基础是牛顿力学及力学分析，这成为

11、解决科学问题的有效工具。在这种思维方式的指导下，当时的自然科学家对自然界有什么样的观点和态度？ 2近代物理学晴空中的“两朵乌云” 对当时以牛顿经典力学为基础的机械自然观产生了什么样的冲击？ 3迈克耳逊莫雷实验与“以太”说破灭和黑体辐射与“紫外灾难”是自然科学的危机还是哲学自然观的危机？2、热寂说：世界的末日？ 常识告诉我们，热量总是从高温物体传向低温物体，从物体的高温部分传向低温部分。在这个自发的热过程中，一方面热力学系统的能量发生了弥散；另一方面热力学系统的态函数熵增大了。 1865年，克劳修斯把热力学第一定律、第二定律推广到宇宙，并提出：“宇宙的能量是一个常数”、“宇宙的熵趋于极大”两个结

12、论。认为宇宙越是接近这个熵是极大的极限状态，进一步变化的能力就越小，如果最后完全达到了这个状态，那么任何进一步的变化都是不可能的，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态。 面对“热寂说”描绘的未来宇宙的恐怖情景，不知有多少学者（包括恩格斯）拿起了讨伐的笔，驳斥这一理论的荒谬。但历史发展到今天，“热寂说”不仅没有消失；相反，熵却以一种新的世界观走进了现代哲学王国。我们生活的世界正在陷入一种不亚于“热寂说”的恐怖境地，熵值之大增使我们不寒而栗。还是先让我们看一看美国学者里夫金和霍华德的描述吧。 “我们每天都发觉世界比前一天更加杂乱无章。似乎一切都不再起作用了。世界已经不可收拾，我们总是在修修补补。我们

13、的干部在无可奈何的哀叹与辩解。我们每每以为能排难解忧，结果却总是事与愿违。当局日复一日救了燃眉之急，然而他们解决问题的方法又带来了比先前要解决的更重大的问题。 核电站事故不断发生，在汽车加油站人们往往为了汽油分配而开枪厮杀。通货膨胀成倍剧增，生产率与就业机会一个劲地猛跌，热核战争的危险与日俱增。终于，我们只想关上窗子，绝望地喊叫：为什么不想个法子来治一治！我们责怪石油公司，责怪政府的经济顾问，责怪工会，责怪知识分子，凡有一点关系的人们都在责怪之列。 我们的周围到处是堆积如山的垃圾，无处没有污染；从地面冒出来，在江河里渗透，在空气中滞留。它刺痛了我们的双眼，使我们的皮肤变色，肺功能衰退。我们唯一

14、的解决办法就是闭门不出”。这就是我们生活的物质世界，的确使人沮丧。 在精神领域也好不了多少，熵：一种新的世界观深刻地揭示了我们生活的高熵社会里人类精神领域的境况及其严重后果。他们认为人类历史是江河日下的历史，而且人类思想的发展也不见得是一个进步的过程。几个世纪来人类思想与人类其他活动一样，正朝着一个越来越复杂、抽象、浪费的状态发展。 讨论题 1.热寂说是怎样提出来的？它说明了什么问题？2.试联系实际，就自然界的演化方向及其发展前景做出评价。3、“当代科学的四大难题” 在2004年5月16日的文汇报上，刊发了沈致远教授在“国际科学家讲坛”的讲演，题目是“关于科学的几个问题”。讲演的最后一部分，是

15、以“我丢了当代科学的四大难题”为题。他在文中提到的四大难题，无不与哲学的基本问题相关。不仅困扰着自然科学界，同时对我们在新时代中重新认识传统哲学关于物质及其属性具有重要的借鉴意义。 第一个难题是关于物质的本质问题。沈教授认为我们现在对物质的本质还不清楚，但现在大家所知道超玄理论、M理论等等，就是朝着解决这个问题的方向去努力的。 20世纪的物理学有两次大的革命：一次是狭义相对论和广义相对论，它几乎是爱因斯坦一人完成的；另一次是量子理论的建立。经过人们的努力，量子理论与狭义相对论成功地结合成量子场论，这是迄今为止最为成功的理论。粒子物理的标准模型理论预言电子的磁矩是1.3个玻尔磁子，实验给出的数值

16、是1.8，两者在误差是完全一致的，精确度达13位有效数值。广义相对论也有长足的发展，在小至太阳系，大至整个宇宙范围里，实验观测与理论很好地符合。但在极端条件下，却引出了时空奇异，显示了理论自身的不完善。就我们现有的认识水平来看，量子场论和广义相对论是互不自洽的，因此量子场论和广义相对论应该在一个更大的理论框架里统一起来。这一更大的理论框架现在已初显端倪，它就是超弦理论。 超弦理论是人们抛弃了基本粒子是点粒子的假设而代之以基本粒子是一维弦的假设而建立起来的自洽的理论，自然界中的各种不同粒子都是一维弦的不同振动模式。与以往量子场论和规范理论不同的是，超弦理论要求引力存在，也要求规范原理和超对称。毫

17、无疑问，将引力和其他由规范场引起的相互作用力自然地统一起来是超弦理论最吸引人的特点之一。 19841985年，弦理论发生第一次革命，其核心是发现“反常自由”的统一理论；19941995年，弦理论又发生既外向又内在的第二次革命，弦理论演变成M理论。 经过人们的研究发现，在十维空间中，实际上有5种自洽的超弦理论，对一个统一理论来说，5种可能性还是稍嫌多了一些。因此，过去一直有一些从更一般的理论导出这些超弦理论的尝试，但直到1995年人们才得到一个比较完美的关于这5种超弦理论统一的图像。所有的五种超弦理论和M理论都是一个场基本的理论的不同极限。M理论有一个很大模空间（各种可能的真空构成的空间）。5种

18、已知的超弦理论和十一维超引力都是M理论的某些极限区域或是模空间的边界点。有关超弦对偶性的研究告诉我们，没有模空间中的哪一区域是有别于其他区域而显得更为重要和基本的，每一区域都仅仅是能较好地描述M理论的一部分性质。 超弦理论成功地解释了黑洞的熵和辐射，这是第一次从微观理论出发，利用统计物理和量子力学的基本原理，严格了导出了宏观物体黑洞的熵和辐射公式，毫无疑问地确立了超弦理论是一个关于引力和其他相互作用力的正确理论。 将5种超弦理论和十一维超引力统一到M理论无疑是成功的，使弦论学家摆脱了昔日的困境，但同是也向人们提出了更大的挑战，最深层的奥秘尚待揭示。M理论在提出时并没有一个严格的数学表述，因此寻

19、找M理论的数学表述和仔细研究M理论的性质就成了这一时期理论物理研究热点。什么是M理论的真面貌，仍然是一个未决问题。 通过超弦理论及M理论的进一步深化研究，人们应该可以对物质的本质有更为深刻和全面的认识，这种认识或许也可以将人类的认识提升到一个更加高级的阶段。 第二个难题是关于宇宙的演化问题。关于宇宙演化的研究最近是非常热门的研究课题，美国报纸上隔两三天就会出来一篇关于“两暗”暗物质（dark matter）、暗能量（dark energy）的报道。最近发表的微波各向异性检测结果，发现96%以上的宇宙物质是看不见的暗物质和暗能量，其中23%是暗物质，73%是暗能量。沈致远教授在科学上刊文认为，现

20、在的情况和一百年以前的事情很相像。一百年以前，英国的凯尔文爵士在纪念新世纪的晚会上发表演讲，他说物理学已经登峰造极，后人所做的工作只是在小数点第六位加一点东西，修修补补。但他接下去说：在物理学晴朗的天空中有两朵乌云，一朵乌云是迈克尔逊的光速实验，与当时流行的“以太说”不符；第二朵乌云是关于黑体辐射的试验，与当时的经典理论不符。结果十年不到，这两朵乌云就变成了倾盆大雨：爱因斯坦提出的狭义相对论，把以太给否定掉了，普郎克提出的量子说，指出了经典物理的局限性。而相对论和量子力学正好是20世纪物理学的两大支柱。所以沈先生在他的演讲中说，他有一种预感，认为天文学的“两暗”与以前的“两云”很相像，很可能最

21、后出来的东西不是暗能量，而可能会是其他对现今理论造成更大冲击的内容。所以，两暗的问题对科学及哲学的认识理论很有挑战性。 第三个难题是生命奥秘。虽然现在生物学已经有了非常大的进展，人类已经于去年就把人体的DNA解读出来了，但是要弄清楚生命究竟怎样运作，恐怕还有一段很长的路要走。DNA的解读是一个里程碑式的成果，但这只是开始，对生命形成及进化的历史及过程，人类还有太多的东西要了解，而这在很大程度上制约着人类对自身及对整个宇宙世界的认识。 第四个难题是自我意识。自我意识就是人的自我究竟是什么东西？沈先生说他曾写过一篇文章，叫雨伞包袱我，讲了一个小故事：有个老和尚叫小和尚去云游，给了他一把雨伞遮蔽风雨

22、，给了他一个包袱存放零用的物品，然后叫他去云游，嘱咐他“你不要弄丢了！”，那个小和尚有点痴呆，老和尚就教他念口诀：“雨伞，包袱，我”，“雨伞，包袱，我”后来小和尚跌了一跤，爬起来，看看手中雨伞还在，摸摸背上的包袱也在，就是找不到“我”！于是他大哭，一个路人问他为何哭？小和尚说他把“我”丢了！那人摸摸他的光头说“这不就是你吗？”他恍然大悟，破涕为笑。实际上，“我”是有很多层次的：第一个层次就是小和尚的那个“我”，所谓臭皮囊，但是这个臭皮囊并不是真正的“我”，人体的原子和分子，每一年都有一半以上被更新掉，如果这个臭皮囊是“我”的话，岂不是“我已非我”了吗？第二个层次是基因，当克隆羊“多莉”出生以后

23、，很多人说：那可不得了，如果他们用我的基因复制出人，岂不是造出另一个“我”来了吗？不对！真正复制出的，只不过是一个你的克隆，与你的生理相同，但心理不一样。最后一个层次是心灵，即自我意识。这到底是什么东西？到现在为止，没有一个人能对自我意识说出道理来，很多著名的脑神经科学家都讲，自我意识究竟是什么还没有一个人知道。而意识或自我意识，在整个人类的认识发展过程中的作用是至关重要的，人类现今所有的认识成果，都是在它的参与下得出来的。所以，对它的探讨也涉及到对整个人类文明成果性质的认识。资料来源：沈致远：载文汇报，2004-05-16。讨论题 1.现代自然科学向哲学提出的挑战哲学应该如何面对？2.我、自

24、我、自我意识你能区分出它们之间的差异性吗？3.超弦理论对现代物理学的意义与哲学的意义是什么？ 【教学内容】第一节 1920世纪之交的物理学革命与系统自然观的产生 一、世纪之交的物理学发现、危机1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线；1896年，法国物理学家贝克勒尔发现了放射性；1897年，法国科学家居里夫人发现了放射性元素；1897年，英国物理学家汤姆逊证实了电子流；英国物理学家卢瑟福证实了原子的嬗变，促使原子嬗变理论的建立。这些新发现动摇了原子和元素不可分、不变、是物质组成最小单位的形而上学的观念。同时，正当人们陶醉在物理学经典体系“尽善尽美”的境界时，物理学的晴朗天空中却出现了“两朵乌云

25、”，这就是当时经典物理学理论无法解释的麦克尔逊莫雷实验和黑体辐射实验。物理学陷入空前的危机。 经典物理学的危机实质是形而上学思维方式和机械论自然观的危机，表明旧理论在新发现面前的无能为力。拓展阅读：经典物理学晴朗天空中的“两朵乌云” 二、20世纪上半叶的物理学革命及其辩证自然观思想 20世纪初，正是在解决新实验事实同旧理论之间的矛盾的过程中，爱因斯坦和普朗克等科学家创立了以相对论和量子力学为支柱的现代物理学理论体系。 1.相对论 1905年德国科学家爱因斯坦创建狭义相对论，科学地揭示了时间与空间、时间和空间与物质运动之间、质量和能量之间的统一性。1916年他又创立了广义相对论，揭示了空间、时间

26、与物质之间存在的辩证关系。2.量子力学 1900年德国物理学家普朗克提出能量子假说；1905年英国物理学家卢瑟福提出原子的有核模型太阳系模型；19121913年丹麦物理学家波尔建立了量子化的原子结构论模型；1923年法国物理学家德布罗意提出物质波假说；1925年德国物理学家海森堡提出矩阵力学；1926年奥地利物理学家薛定谔建立了波动力学；1927年矩阵力学和波动力学被证实二者是等价的，后称“量子力学”。 3.分子生物学 1953年美国生物学家沃森、英国生物学家克里克和维尔金斯关于DNA双螺旋结构的发现，标志着分子生物学的诞生，它阐明了生物界结构和生命活动的高度一致性。 这些革命性成就的取得，一

27、方面产生了两个全新的自然科学基础理论：相对论和量子力学，另一方面还对自然观产生了深远影响，展现出一幅全新的自然景观：其一，彻底推翻了物质与运动无关的形而上学观点，深刻地揭示了物体质量与运动速度、物质质量与时空之间的深刻关联；其二，绝对时空并不存在，时空不仅与物质关联，而且本身就是物质、运动的存在属性和方式。同时，它还触发了一系列深刻的哲学和科学争论。 拓展阅读：长达40多年的爱因斯坦与玻尔之争三、系统科学的出现和系统自然观的诞生 20世纪40年代末兴起的控制论、信息论、系统论，是系统科学研究的第一批成果。 20世纪70年代前后相继出现的耗散结构理论、协同学、突变论、超循环论等自组织理论及分形理

28、论、孤粒子理论和混沌理论，是系统科学的最新发展。 系统科学的诞生给辩证自然观的发展增添了新的思想和内容：在物质观上开始把具有复杂性特征的事物作为研究对象；在时空观上深入研究时空与物质关联的复杂性；在演化观上强调事物的生成与演化及其方向和趋势；在生命观上突出“自组织”的观点（事物自发自主地从非生命演化出生命）；在发展观上强调环境和条件（外因）的作用；最大的变革在于它提出了自然界是一个系统的观点。 四、系统自然观的基本内涵和思想 系统自然观建立在新物理学革命和系统科学基础之上，为人们描绘出一幅从基本粒子、原子、分子化合物直到人类，从微观领域到宇观天体系统演化的自组织、自我运动、自我创造的辩证的演化

29、发展的自然图景。它最深层次、最基本的内涵，在于它揭示了自然系统不仅存在着，而且演化着；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；自然系统不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的，阐发了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的思想。这不仅丰富和发展了辩证唯物主义自然观，更为重要的是，它突破了传统的思维方式，提供了一种探索组织性、复杂性问题的全新的思维方式系统思维方式。 第二节 自然界的系统存在方式及其演化 一、系统的含义 贝塔朗菲：“处于一定相互关系中并与环境发生关系的各个组成部分（元素）的总体（总合）。” 钱学森：“有相互作用和相互依赖的若干组成部分结

30、合的具有特定功能的有机整体。”所谓“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。 系统的四层含义： 二、系统是自然界物质存在的普遍形式 19世纪，恩格斯明确指出系统是自然界物质的存在方式。 三、自然界的演化 20世纪的新物理学革命革新了机械自然观的物质观和时空观。随后出现的系统科学和非平衡态热力学则带来了从静止到演化的自然观演化发展的自组织自然观。其基本观点是：自然的演化过程具有不可逆性；自然的进化是一个不断有序化和发生对称性破缺的过程，具有开放性、远离平衡态、非线性相互作用和涨落的自组织机制；自然界的循环发展具有无限性。 第三节 天人和谐的生态自然观 20世纪

31、自然观新进展不仅体现了关于自然界系统联系和演化发展的特征，而且还体现了人与自然关系的新认识特性。以往的自然观主要是关于自然的观点，而20世纪的辩证自然观则是包含人和社会因素在内的自然观，是人如何对待自然的认知、态度和伦理价值的自然观。 一、生态自然观的理论来源 马克思、恩格斯的生态思想是这种自然观的直接的理论来源。马克思恩格斯生态思想的基本观点： 二、生态自然观确立的现实根源 20世纪科学技术的蓬勃发展为人类带来了巨大福祉，也大大加快了人对自然生态破坏的步伐，带来了全球性的“生态危机”，严重威胁着人类的生存和发展。生态危机”的实质，是人与自然关系的危机，是社会异化的产物，也是传统发展观的必然结

32、果。三、生态自然观确立的科学基础 20世纪中叶以来，由于全世界范围内的人口、资源和环境问题日益尖锐，以及系统科学的发展，生态学的研究视野拓展到人类生活和社会生活的方方面面，出现了一门关于人类“生存之科学”的人类生态学，具体而生动地彰显了人在生态系统中的位置。人类生态学中的“整体的观念”、“循环的观念”、“平衡的观念”和“多样的观念”，以及它所揭示的生态规律，构成了生态自然观的重要理念和科学依据。与此同时，还出现了两部有影响的环境科学著作：一部是美国女生物学家卡逊（Rachel Louise Carson）的寂静的春天（1962年），开启了人类环保时代的大门; 另一部是美国科学家芭芭拉沃特、勒内

33、杜博斯合著的只有一个地球，并由此催生了环境管理学、环境经济学的一系列环境科学分支科学。这些都为生态自然观的确立奠定了坚实的理论基础。 1972年6月5日，第一次国际环保大会联合国人类环境会议在瑞典斯德哥尔摩举行，会议通过了联合国人类环境会议宣言(The Stockholm Declaration on Human Environment)，宣告了人类对环境的传统观念的终结，达成了“只有一个地球”的共识，是人类环境保护史上的第一座里程碑。 拓展阅读：卡逊和她的寂静的春天四、生态自然观的基本思想 生态自然观是对马克思、恩格斯生态思想的继承和发展，是在人类反思全球性“生态危机”的过程中和现代生态科学

34、的最新思想成果的基础上形成的。 【观点梳理】一、系统自然观产生的现代自然科学前提系统自然观是辩证唯物主义自然观的发展。它植根于相对论、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。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联系；量子力学标志着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，突出了量子现象的整体性，突破了机械决定论的观念；分子生物学由细胞水平深入到分子水平，在生物大分子层次揭示了生物界基本结构和生命活动的高度一致性；系统论以“系统”的观

35、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；非平衡系统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，而且揭示了自然演化的自组织机制；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、自然界的系统存在方式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。它是自然界物质的普遍存在方式。不仅整个自然界是一个系统，而且其各个组成部分又自成系统、互成系统。自然系统具有物质、能量和信息“三要素”，根据系统与外界

36、环境是否交换物质、能量、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。自然界物质系统具有整体性、层次性、动态性、开放性等基本特点。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。整个自然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；生命系统有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

37、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。三、自然界的系统演化自然界不仅存在着，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。自然界的系统的进化，大体上有宇宙的起源、地球的起源、生命的起源、人类的起源所构成，是微观系统与宏观系统的共同进化。分叉、突现是自然系统演化的基本方式，体现了稳定性与不稳定

38、性、连续性与间断性、确定性与随机性的统一。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的幻想。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外部环境进行物质、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，是自然系统演化的自组织机制。自然界的演化，既不是单调地走向有序和进化，也不是单调地走向无序和退化。有序与无序的不断转化，进化与退化的不断交替，使自然界处于

39、永恒的物质循环之中。四、生态危机与生态自然观20世纪以来，科学技术迅猛发展，人类的生产、消费活动对自然界的巨大冲击带来了事关人类命运的大问题，即生态危机问题。当代生态危机主要表现在三个方面：人口问题、资源问题、环境问题。生态危机是人与自然对立冲突的必然结果。机械唯物主义自然观是它的哲学基础。机械唯物主义自然观打破了神、人、自然的三级结构，却把人与自然对立起来。传统工业生产方式加深了人与自然的对立，是造成生态危机的最主要原因。工业社会高投入、高产出、高消费的生产消费方式把人与自然的对立推向高峰，造成“人类生存困境”。生态自然观是当代人针对现代生态危机进行反思的结果，是辩证唯物主义自然观的发展。其

40、基本思想是:生态系统是生命系统；生态系统是自组织的开放系统；生态系统是动态平衡系统；生态系统具有显著的整体性；生态平衡是稳定性与变化性相统一的平衡。其核心是强调人与自然的协调，关注人类生态系统的稳定和发展。五、生态自然观中的人与自然马克思恩格斯对人与自然的关系提出了以下观点：（1）自然界是人类赖以存在和发展的基础；（2）人工自然是科学技术的物化，是人与自然相互作用的中介；（3）社会生产力不能超越自然生产力。人是自然界长期发展的产物，自然界是人及其生产活动的基本前提。由于人类的出现，产生看人类生态系统。人类生态系统的特点是人类为了存在就必须生产，向自然界索取满足自身生活所需要的物质生活资料。这样

41、，人类在实践过程中把自己与自然界区别开来同时又联系起来，形成了人与自然的对象性关系。实践作为人与自然的纽带是受动性与能动性的统一。【拓展阅读】1、经典物理学晴朗天空中的“两朵乌云” “完美”的经典物理学 19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家W?汤姆生（即开尔文男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，”“第二朵乌云出现在关于能量均分的

42、麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。”W.汤姆生在1900年4月曾发表过题为19世纪热和光的动力学理论上空的乌云的文章。他所说的第一朵乌云，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。开尔文是19世纪英国杰出的理论物理和实验物理学家，是一位颇有影响的物理学权威，他的说法道出了物理学发展到19世纪末期的基本状况，反映了当时物理学界的主要思潮。 物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满

43、意的回答。例如，一切力学现象原则上都能够从经典力学得到解释，牛顿力学以及分析力学已成为解决力学问题的有效的工具。对于电磁现象的分析，已形成麦克斯韦电磁场理论，这是电磁场统一理论，这种理论还可用来阐述波动光学的基本问题。至于热现象，也已经有了唯象热力学和统计力学的理论，它们对于物质热运动的宏观规律和分子热运动的微观统计规律，几乎都能够做出合理的说明。总之，以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观！在这种形势下，难怪物理学家会感到陶醉，会感到物理学已大功告成，因而断言往后难有作为了。这种思想当时在物理界不但普遍存在，而且由来已久。 普朗克曾在

44、1924年做过一次演讲。在演讲中，他回忆1875年在慕尼黑大学学物理时，物理老师P.约里（1809-1884）曾劝他不要学纯理论，因为物理学“是一门高度发展的、几乎是臻善臻美的科学”，现在这门科学“看来很接近于采取最稳定的形式。也许，在某个角落里还有一粒尘屑或一个小气泡，对它们可以去进行研究和分类，但是，作为一个完整的体系，那是建立得足够牢固的。而理论物理学正在明显地接近于几何学在数百年中所已具有的那样完美的程度。”普朗克的另一位名师，柏林大学的G?基尔霍夫（1824-1887）也说过类似的话，他说“物理学已经无所作为，往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。”尽管开尔文对物理学成就的

45、评价言之过激，但他能够在此万里晴空中发现“两朵乌云”并为之忧心忡忡，足见他富有远见。物理学发展的历史表明，正是这两朵小小的乌云，终于酿成了一场大风暴。 第一朵乌云迈克耳逊莫雷实验与“以太”说破灭 人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质“以太”。 最早提出“以太”的是古希腊哲学家亚里士多德。亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成；上界加第五元素，“以太”。牛顿在发现了万有引力之后，碰上了难题

46、：在宇宙真空中，引力由什么介质传播呢？为了求得完整的解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样，是由“以太”传播的。他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的介质说成是一种没有重量，可以绝对渗透的“以太”。“以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者，又具有机械力学的性质，它是绝对静止的参考系，一切运动都相对于它进行。这样，电磁理论因牛顿力学取得协调一致。“以太”是光、电、

47、磁的共同载体的概念为人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。 但是，肯定了“以太”的存在，新的问题又产生了：地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，就必须会遇到每秒30公里的“以太风”迎面吹来，同时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产生，引起人们去探讨“以太风”存在与否。 为了观测“以太风”是否存在，1887年，迈克耳逊（18521931）与美国化学家、物理学家莫雷（18381923）合作，在克利夫兰进行了一个著名的实验：“迈克耳逊莫雷实验”，即“以太漂移”实验。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而，根本找不到“以

48、太”或“绝对静止的空间”。由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，实验结果否定“以太”之存在是毋庸置疑的。 迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。经典物理学在这个著名实验面前，真是一筹莫展。 第二朵乌云黑体辐射与“紫外灾难” 在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80左右。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100的理想物体。真正的黑体并

49、不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出。 19世纪末，卢梅尔（18601925）等人的著名实验黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。 怎样解释黑体辐射实验的结果呢？当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。前提和出发点不正确，最后都导致了失败的结果。例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文

50、学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。2、卡逊和她的寂静的春天 二十世纪是人类历史上极不平凡的一百年。谈到二十世纪最伟大的成就，人们总会提出量子论、相对论和双螺旋结构。其实人们将逐步认识到，还有一项进展，必将对人类文化产生更重大而深远的影响，那就是“可持续发

51、展”思想的形成。 现在人们越来越热衷于谈论“可持续发展”这个话题。这不能不让人想起40年前一本名叫寂静的春天的书。当时，你打开所有的字典、书籍、报刊甚至人们的大脑，都无法找到“环保”这个词。今天环保话题的热闹，和六十年代一个伟大的女性有关。蕾切尔卡逊，一个美国知识女性，在1962年，因为用一本薄薄的寂静的春天开启了人类的环保时代而将被人们铭记在心。 蕾切尔卡逊 从20世纪40年代起，人们开始大量生产和使用六六六、DDT等剧毒杀虫剂以提高粮食产量。这些剧毒物的确在短期内起到了杀虫的效果，粮食产量得到了提高。然而，这些剧毒物的制造者和使用者们却没有想到，这些用于杀死害虫的毒物会对环境及人类贻害无穷

52、。它们通过空气、水、土壤等潜入农作物，残留在粮食、蔬菜中，或通过饲料、饮用水进人畜体，或通过食物链进入人体。这种有机氯化物在人体中积存，可使人的神经系统和肝脏功能遭到损害，可引起皮肤癌，可使胎儿畸形。 美国海洋生物学家蕾切尔卡逊（Rachel Carson）用年时间调查了使用化学杀虫剂对环境造成的危害后，于1962年出版了寂静的春天一书。在这本书中，卡逊阐述了农药对环境的污染，分析了这些化学杀虫剂对人类赖以生存的生态系统带来的危害，指出人类用自己制造的毒药来提高农业产量，无异于饮鸩止渴，人类应该走“另外的路”。这本书跨越种族、宗教和阶层，使整个人类开始重视生态问题。 1907年，蕾切尔出生在美

53、国宾夕法尼亚州的一个农场主家庭。她童年的所有故事在一片森林中展开。她从小热爱自然，热爱动物，热爱生命，也热爱写作。据说她岁就成了“作家”，因为她写了一篇小说发表在一个著名的儿童刊物上，还获得了银奖。上大学时，很多人以为她会选择文学专业，蕾切尔却选择了生物学。1932年她在约翰?霍普金斯大学获得动物学硕士学位。 卡逊硕士毕业后，却找不到一份正当职业，只得做一些兼职的工作。这时家道中落，全家人都要靠她挣钱养活。兼职之余，她还在四处找工作。1935年的10月，卡逊找到了美国渔业局，在那里她负责编制一套52集的有关海洋生命的公共教育广播短文。卡逊绞尽脑汁写了个月，大获成功。渔业局约她续写一系列有关海洋

54、的科普读物。这些小册子一经发表，引起很大反响。 1952年，她的传世之作我们周围的海洋问世，引起轰动。该书持续个月名列畅销书榜首，并且还被翻译成种文字在世界各国出版发行，同年获得美国国家科学技术图书奖和伯洛兹自然科学图书奖。1955年她又出版了海之边缘，此书与国家图书奖擦肩而过。这些作品使卡逊成为著名的科普作家。 1952年，卡逊从政府机构辞职开始了她的专业写作生涯。后来，一封普通的读者来信打断了她感兴趣的关于大海题材的写作。一个名叫哈金丝的女士来信说：在她生活的那片土地上，过去充满了鸟语花香。但一年夏天，政府为了扑灭蚊虫，播撒了大量的DDT，结果蚊虫是不见了，可小鸟也被杀死了很多。一个美丽的

55、城镇在春天里，被可怕的寂静笼罩。一些官员和生产杀虫剂的厂家还在保证，杀虫剂是无害的。果真是这样吗？ 这封信一次次触动卡逊的良知。起初，她打算用一年时间写个小册子，但随着资料的增加，她感到问题比她想象的要复杂得多。她阅读了几千篇研究报告和文章，与有关领域权威的科学家交流。在写作期间，她强忍着病痛的折磨，同时还接受着放射治疗。她用了整整年时间，关注滥用杀虫剂的长期效果调查。1962年，寂静的春天问世，不但震惊了世人，也开创了一个时代。 当寂静的春天在人群中广为流传时，她得罪了一个利益集团他们是商人或者政客，甚至还有科学家他们都靠杀虫剂产业牟利或者维护尊严。卡逊因此受到最恶毒的诋毁和攻击。一些农药制

56、造商雇佣科学家同卡逊辩论，对她进行极端的指责。杀虫剂生产贸易组织、美国农业化学品联合会不惜巨资宣传卡逊的错误，来保护自己的经济利益，甚至借助权威力量阻止该书出版。她被说成是“杞人忧天者”，“自然平衡论者”，美国政府一位官员甚至公开辱骂：“蕾切尔卡逊，一个老处女，干嘛要担忧那些遗传学的事。她是不是有点歇斯底里？ 然而，科学和正义是不可阻挡的。蕾切尔开始放弃自己平静的书斋生活，出面应战。她迎战的力量来自她对真情实况的尊重和对人类未来的关心。这位学者一遍又一遍地核查寂静的春天中每一段话。许多年过去了，事实证明她的许多警告是估计过低，而不是说过了头。1963年，她在美国总统的听证会上发出声音，要求政府

57、制定保护人类健康和环境的新政策。美国政府认同了书中的观点。由于寂静的春天的影响，仅至1962年底，就有多个提案在美国各州通过立法以限制杀虫剂的使用。曾获诺贝尔奖金的DDT和其他几种剧毒杀虫剂终于被从生产与使用的名单中彻底清除。 1964年4月14日，蕾切尔?卡逊因为癌症永远离开了人们，享年57岁。她去世年后，美国成立了环境保护署。一个杰出美国人的组织推选寂静的春天为近50年来最具有影响的书。寂静的春天于1972至1977年间陆续被译为中文。1992年，新千年到来之时，美国时代评选她为20世纪最有影响的百人之一。 美国前副总统戈尔的办公室里，蕾切尔?卡逊的画像和那些总统们的照片并排挂着。戈尔为寂静的春天中文版作的序中说：“作为一位被选出来的政府官员，给