3三自然界的系统演化.ppt

1、1可逆和不可逆如果系统从一种状态变为另一种状态，它可以恢复到其原始状态，同时使系统的环境恢复到其原始状态，这是一个可逆的过程。(1)可逆性和不可逆性(是否有时间箭头)，(2)自然界的进化过程是可逆的还是不可逆的？存在物理学和进化物理学，存在物理学：时间是一个从外部描述运动的参数，它的变化不影响运动的本质，所以不可能从运动的本质来判断时间。例如，牛顿力学、相对论、量子力学F=mdr/dt取t t，方程形式不变，时间反演是对称的，这意味着时间没有方向性。进化物理学：时间不再是描述一个系统运动的外部参数，而是与系统的进化相关，所以它是具有物理内容的时间。热力学中的傅立叶方程，t (XT)，t，=，-

2、，t (XT)，x，指的是t t，方程形式变化，时间反转不对称或对称性破坏，这意味着时间方向性。在科学史上，许多科学家认为不可逆性是一个近似的结果，或者是对物理世界主要观点的侵犯。例如，爱因斯坦认为不可逆性只是一种幻觉和主观印象。他说：“物理学的基本定律是不可逆的。你必须接受这样一种观点，即主观时间及其对现在的强调没有客观意义。”“就我们这些受到人们信任的物理学家而言，过去、现在和未来之间的区别只是一种幻觉。然而，这种差异仍然存在。”玻恩曾断言：“不可逆是无知干预物理学基本定律的结果。”我们对时间的自然本性分析得越深入，我们就越能理解时间的连续性意味着发明、新形式的创造和所有新事物的持续生产。

3、事实上，自然界中没有绝对的、无条件的可逆变化，但可逆性只是理想化的产物，它是一种科学抽象，省略了一些变化。例如，只有忽略摩擦力，我们才能有一个理想的单摆，只有忽略其他天体对地球的影响和地球本身的复杂性，我们才能有一个严格的周期性地球自转；只有忽略热量的耗散，我们才能有一个理想的卡诺循环。然而，对于特定的过程，不可逆过程往往包含一些可逆因素。功和热的转化在能量等级上是不可逆的，但转化能力是可逆的；化学反应通常是不可逆的，但是产物仍然可以作为反应物回收。生长、发育和衰老是不可逆的过程，但机体的协调和组织是从低到高、从高到低的过程，这可能是基于这种考虑。普里戈津强调，可逆或不可逆不是唯一的普遍过程。

4、在一个多元化的世界里，可逆性和不可逆性在现实中共存。因此，对我们来说，重要的不是找出简单和纯粹的可逆性和不可逆性，而是讨论什么是可逆和不可逆的因素包含在现实事物中，以及它们在物质世界的进化和发展中起什么作用。(2)自然进化的方向：进化还是退化1概念进化一般是指在物质对象从无序到有序、从低级到高级的进化过程中，复杂性和多样性的趋势和过程或增长。简并是指物质对象从有序到无序、从高阶到低阶的演变趋势和过程。秩序是对系统中各要素之间的关系以及进化过程的本质的描述，它代表了系统的组织程度。度量参数：熵、信息量、序参量、热力学对进化过程的启示：卡诺原理：温度平衡过程将导致做功可能性的丧失。热力学第二定律：

5、汤姆森：从一个单一的热源中获取热量并将其转化为功而不受任何其他影响是不可能的。克劳修斯：热量不可能在没有其他影响的情况下从低温物体流向高温物体。科学理论对时间箭头方向的回答可以证明，只要热量从高温物体流向低温物体，系统的熵就会增加。熵的变化成为区分可逆过程和不可逆过程的一个标准。熵表示如下：孤立系统的熵总是趋向于增加(熵增加定律)。熵：原意是代表系统的状态，宏观意义代表能量分布的均匀性(平均能量状态是熵达到最大值的状态)，微观意义代表系统内部粒子的无序程度。熵的概念研究热力学能量从有效态到无效态、从高浓度到低浓度、从有序态到无序态的转化，使热力学第二定律超越热力学，扩展到更广泛的领域。在物理学

6、中，熵理论第一次真正触及了自然发展的不可逆性。熵理论应用于整个宇宙，并提出了基于熵理论的宇宙理论。亥姆霍兹提出宇宙是冷热的，所有有用的能量最终都转化为热量。宇宙最终将处于均匀的温度状态，所有的自然过程都将停止。宇宙的热寂相当于永恒的和平。一旦宇宙达到热寂静，它将呈现一幅黯淡的画面。那里仍然有能量，但是它已经失去了它所有的转换能力，它不再能迫使宇宙运转。我们将呆在一个死亡但可能温暖的宇宙中。琼斯，在一个非常真实的意义上，我们都是这个注定要毁灭的星球上遇难船上的乘客。维纳，生物进化的进化方向：从简单到复杂，热力学第二定律和生物进化之间的矛盾得到解决。麦克斯韦的恶魔被提出来解决两者之间的矛盾。齐拉德

7、证明了恶魔是一种智能生物，恶魔能力的获得涉及到信息的交换和传递以及熵的变化。提出了负熵的概念薛定谔。有机体是这样的。在dS=deS diS中，deS被称为熵流，它可以是正的、负的或零。diS是内部熵产生，这部分永远不会是负的，即diS0。孤立系统des0，dsdis0，熵增闭系统des0，ds0，熵增开系统des0，和desdis，然后ds0熵减少，耗散结构理论存在两个进化方向：进化和自然界退化，它们都有一定的普遍性，但它们不是唯一的普遍现象。进化和退化的统一进化和退化是相互包容的。面向进化的过程通常固有地包含退化。类似地，面向退化的过程通常固有地包括进化。进化和退化并存。进化和退化经常同时存

8、在和发生。它们通常是一个过程的两个方面。进化和退化交替进化和退化经常相互交替。在某些条件下，进化会变成退化。在某些条件下，退化也可以转化为进化。世界图景的多元格局、不合时宜的图景、时间图景、高熵发展和低熵发展，现代形而上学自然观力图把自然描述为一台机器，它以“第一次推动”开始运转，它的发生和发展是以外部为基础和驱动的，没有外部就不会有任何变化。如果自然界的进化是由他组织的，如果自然界中各种物质系统的形成是由外界强加给自然界的，那就不可避免地要追溯到“无所不知、无所不能的上帝”，乞求上帝的主宰。辩证唯物主义自然观认为，自然的进化是“自运动”的结果，是事物自矛盾的表现，自组织是自然各种进化过程的本

9、质属性。正是在这一点上，两种进化论观点之间有着明显的区别。(3)自然进化的自组织机制非平衡自组织理论的阐述为系统走向有序的基础和条件，即系统形成有序的结构，是一种非常有意义的耗散结构理论，对于理解一般进化的条件及其形成的条件(1)系统处于远离平衡的状态。(2)系统必须是一个开放的系统，即系统的内部和外部环境之间必须有物质、能量和信息的交换和循环，从系统外部输入的负熵流的绝对值必须大于系统内部的熵产生量，这样系统的熵逐渐减小。(3)形成有序结构的元素之间存在非线性相互作用。这种相互作用导致了各要素之间的L相干效应和协同作用，使系统由混沌变有序。l分支效应使系统产生多个可能的分支。在一定参数下，线

10、性方程只有一个特殊解，而非线性方程可以同时有多个特殊解。对应于系统的多个稳态，它产生临界效应。(4)波动是系统演化的诱因。非线性相互作用使系统进化产生多种可能的分支，并面临多种选择。那么，我们如何完成不同进化路径的选择，以及选择哪条进化路径？这一关键步骤是由随机波动完成的。波动是指系统中某个变量或行为偏离统计平均值的情况。系统中存在波动是不可避免的，这是所有实际系统的固有特征。例如流体中液滴的随机运动；原子的激发态跃迁和自发辐射；反应物浓度的随机波动等。这些波动可能是由系统中的不规则运动或不可控制的环境干扰引起的。“涨落导致有序”涨落的作用与系统的状态有关。当系统稳定时，波动只是一个很小的扰动

11、，由于系统本身的抗干扰能力，它会逐渐衰减，从而使系统回到原来的状态。然而，如果系统处于远离平衡的不稳定状态，即接近临界点时，微小的波动将被放大，成为宏观尺度的“巨大波动”，从而使系统突然过渡到新的有序状态，即“波动导致有序”。“波动导致秩序”的作用表明，进化是一个偶然性和必然性相互影响的过程。在临界点附近，系统呈现出巨大的起伏，系统似乎在各种可能的进化方向之间“犹豫不决”。一个小的波动可以引起一个新的变化，这将彻底改变宏观系统的整体行为。(5)正反馈驱动系统有序。负反馈往往减弱系统中的变化，而正反馈则扩大和加剧系统中的变化，从而促进系统的质变，加速系统的自复制和自组织过程，使微观要素的协作产生

12、宏观秩序。耗散结构机制图、结构、涨落、非平衡自组织理论的这些成果为如何理解进化的条件和基础提供了有益的启示。系统中的相互作用是系统进化的基本基础。从外界获取物质和能量是系统进化的基本条件。内部波动是系统演化的直接诱因。在与环境的交换中，耗散结构是通过自组织形成的，即远离平衡的非线性区域的形成。例如，巴纳德模式，耗散结构：退化是物质系统进化的另一个方向和趋势。为什么系统降级了？这也是一个所有进化理论都应该回答的问题。显然，孤立系统的退化可以用熵增定律来解释。然而，我们如何解释开放系统的退化？当代混沌、非线性科学和其他系统科学的研究为我们理解从有序到无序的转变打开了一扇窗。通向混沌的道路在一个非线

13、性系统中，从有序状态通向混沌的道路有很多，其中有三条是目前研究得比较好的：(1)倍周期分岔系统运动变化的周期行为是有序状态。然而，在一定条件下，系统将逐渐失去其周期性行为，并在周期加倍后进入混沌状态。，随着参数的不断变化，整个系统将从突发混沌走向完全混沌。突发混沌是非平衡过程进入混沌的另一种方式。(3)当Ruletaiken路系统中存在不同频率相互耦合的振荡时，系统将以新的耦合频率运动。混沌状态可以看作是一种具有无限频率耦合的振动现象，这种具有无限频率耦合的振动现象的出现不需要数量上的累积叠加。实际过程是，只要系统中存在三个不相关的频率耦合，系统就不可避免地会形成无限的频率耦合。所谓的Zuletaiken路意味着只要系统中有三个以上的频率相互耦合，系统中就会出现混沌。(4)自然系统演化的基本方式1分支：稳定性和不稳定性，不管是演化还是退化，都表现出从一种稳定性到另一种稳定性的运动，新的稳定性是在旧的稳定性不稳定和系统崩溃后重新建立的。2涌现：突变、间歇和不可预测的分岔理论表明