第二章系统自然观

1、第二讲 系统自然观,一 自然界的系统的存在方式,1 系统的定义：系统是若干有特定属性的要素经特定关系而构成具有特定功能的整体。或者说，系统是以各要素的属性为基础经由特定关系而形成的属性不可分割的整体。 完备描述一个系统需具备以下四个条件：要素、结构、功能和环境,A 要素：要素是构成系统的组分和组元。 B 结构：结构是系统诸要素之间相互联系、相互作用的总和。这些关系可以是数量 关系，也可以是时空关系，更重要的则是相互制约关系。 C 功能：系统在内外关系中表现出的特性和能力 影响系统功能的因素 F = f(E，C，S) D 环境：指与系统组成要素发生相互作用而又不属于这个系统的所有事物的总和。,2

2、 系统的类型 从系统与环境的关系分： 孤立系统 封闭系统 开放系统 从系统所处状态分： 平衡态系统 近平衡态系统 远离平衡态系统 从系统内各要素相互作用的特点分： 线性系统 非线性系统,3 自然系统三要素 物质：标志客观实在的哲学范畴，它是指在人之外，不依赖于人的意识、并能为人的意识所反映的客观实在,能量： 20世纪传统观念认为物理上能量是指做功的本领在一定意义说是物质运动的一种度量，用它来描述物质运动的数量、形式和相互转化 自从有了质能关系后，能量是物质的一种基本属性。物质的质量可以转化为能量，能量成为物质的一种本征属性，但是只有在正反物质湮没时，才能全部转化，目前都是通过质量亏损的方式，部

3、分质量可以转化为能量。除此之外，地球上的其它能源均来自太阳能，是有限度的。,信息：本体论意义上指一切物质运动的状态和方式，认识论意义上是关于物质运动的状态和方式的表达或反映，是系统有序程度的标记,一般认为信息只能出现在通讯系统当中。通讯系统的最简模型为：,信源,信道,信宿,编码,解码,噪声,最简单的通讯系统,信息最基本的概念是信源的消息通过信道，被信宿接受后，可以降低信宿的不确定性。,说到信息的实质，首先应强调的是信息归根到底是物质(一切不依赖于意识的客观存在)的一种属性。信息不能离开物质而单独存在，客观世界和人类大脑中都不存在与物质相分离的信息。一切信息都是由特定的物质运动过程产生、发送、接

4、收和利用的，没有非物质的信源，也没有非物质的信宿。信息的传输离不开物质的通道、线路或介质场，离不开能量的利用。事实上，信源发送的和信宿接收的都不是纯粹形态的信息，而是载带着信息的某种物质形式，叫做信息载体，如声波、电磁波、电子、中子等。通信系系统中，信源通过发送信息载体而发送信息，编码器通过变换信息载体而对信息进行编码，信道通过传送信息载体而传送信息，信宿通过接收信息载体而接收信息。,例如，X光结构分析就是一个通讯系统，当X光通过样品（晶体、非晶体等作为信源），经过衍射（相当于编码）的X光，经过一段距离（信道），与记录介质（底片、计算器、荧光屏等作为信宿）相作用，形成斑点，条纹等等（相当于解码

5、），留下了样品的的信息。原来的信宿对样品的结构一无所知，十分的不确定，接受信息后就确定了。当然上述的描述十分简化，大体可以用来理解信息的概念。,但必须把信息与一般的物质属性区分开来，才能把握信息的特殊本质。一个突出的特点是信息的不守恒性，而守恒性是物质(包括能量)的基本特性。一定的物质材料和能量，用一点就少一点，用户不能分享。信息则是可分享的，古人和今人同样能从赏月中得到美感信息，不同读者可以从同一本书中获得同样的信息，教师向学生传送知识后不会减少自己的知识，甚至还可能增加自己的知识。物质能量是不灭的，信息却可以生成、失去、增殖、创造。物质、能量经过处理或多或少有所损失，信息经过处理一般都会增

6、殖。教师备课是对知识信息的一种处理，因而可能使自己的知识增殖。,信息的特殊本质在于它是一种可以表征物质客体的成分、结构、状态、行为、功能、属性、演化趋势的东西，一种能表征一切物质属性的物质属性。尤其独特的是表征物质客体属性的信息可以同该客体分离开来，固定在叫做载体的其他物质客体上。严格地讲，一个物质客体的属性只有通过与其他物质客体的相互作用并在其他物体中得到反映或表征，才能称为该物质客体的信息。某物的信息不是该物体本身，不同于一般的物质属性，而是一种只有通过与其他物体相互作用、并在这些物体的变化中才能表现出来的属性。把这种属性叫做信息是非常科学的：所谓“信”，意指它是对象物体属性的反映或表征，

7、即对象(信源)的“信物”，凭借它可以辨别、认证该对象；所谓“息”，意指必须栖息载带在其他物体之上不是信源本身。某物的信息是表征该物属性而栖息载带于他物之上的东西。,整体性 表现 整体不等于部分之和 整体和部分关系：加和性关系 非加和性关系 非加和性关系是系统的特征，它表征着新属性的出现，表征着系统与其构成之间的质的差别，其形成在于内部的相干性。系统各部分彼此约束、选择、协同、放大，共同导致属性不可分割的整体的形成,4 自然物质系统的属性,例、水分子是一个系统，它由两部分（要素）组成，这两个要素相互作用形成H2-O的结构，它具有不同于H和O的性质，即水分子的特性，水与构成它的H和O有加合性的一面

8、，例如质量，又有不可加合性的一面，水分子的性质不是两个H原子和一个O原子性质简单相加而成，而是它们间的非线性相互作用而成，H原子和O原子进入水分子后，受到约束和选择，例如它们的活动空间只能在水分子的范围，它们成键的方向被水分子选择为特定的（键角），这三个原子相互配合（协同）形成水分子的特征。,系统自我保持、自我修复的稳定性。这依赖于系统与环境进行物质、能量和信息的交换 除整体性外，系统还具有层次性、动态性、功能性、开放性的特点,5自然系统的层次结构,中国套箱式的等级结构 特点：低层系统对高层系统具有构成性关系 同一层次的系统之间存在着相干性关系 自然界的层次结构 分非生命世界和生命世界,非生命

9、世界微观、宏观和宇观层次 生命世界分生物大分子、细胞、组织、器官、系统、生物个体、种群、群落、生态系统 层次与复杂性 拉兹洛指出，“上层系统并不是一定比它的下层系统更复杂” 原因在于，“系统进化创造出来的等级不单单是结构等级，而且还是控制等级。”,层次与结合度 反比 关系， 这是物质机构稳定性的原因物质束缚程度：B/E0 三个夸克 核 原子 分子 地球 太阳系 银河系 星系团 10-1 10-3 10-5 10-9 10-10 10-8 10-6 100 层次与物质量的丰度、质的多样性 因果链,它是理解许多科学思想和方法的基础： 1、规律的作用与层次是耦合的。自然界本质是演化的，但是不能显示演化的牛顿力学、量子力学、相对论等仍然行之有效，关键一条是它们的规律是在相对稳定的一定层次上抽象概括出来的，被证明是近似正确的，既然它们没有反映演化，那么也说明在这个层次上，有些特征和规律可以不需要演化的概念。例如材料科学与技术涉及的层次是原子的重组，涉及原子的外层电子，不用考虑原子核和内层电子的演化的问题；,宏观世界是稳定存在的，牛顿力学就可以运用，不用考虑牛顿力学的演化问题。但是进一步的研究可以发生两种情况：一是研究深入或者涉及