2章 系统自然观.ppt

1、第二章 辩证唯物主义自然观的发展 系统自然观,系统自然观产生的现代自然科学前提 自然界的系统存在方式 自然界的系统演化,本章思考题,1、现代科学技术成果对恩格斯自然观的贡献？（举例说 明） 2、分析系统、要素、结构、功能、环境等概念的含义及 其相互关系。 3、系统的层次性？系统层次之间的相互关系？ 4、如何用耗散结构理论解释系统新的有序状态（或稳定 性）的形成？耗散结构形成的条件？ 5、自然物质系统演化的基本图景及规律？ 6、自然物质系统的演化遵循那些基本规律？,第一节 系统自然观产生的 现代自然科学前提一、系统自然观的科学基础,相对论 量子力学 控制论 信息论 系统论 耗散结构理论 协同学

2、非线性自组织理论 混沌理论,物理学新发现和物理学革命,1、世纪之交物理学三大发现 X 射线： 1895， （德）伦琴 放射性： 1896，（法）A H 贝克勒尔 电 子： 1897， （英）J J 汤姆逊 2、物理学上空的“两朵乌云” “以太漂移”的否定结果：1887，迈克尔逊、莫雷 黑体辐射的“紫外灾难”：1900，瑞利 3、物理学革命量子力学、相对论的诞生,（1）相对论,爱因斯坦（Albert Einstein,18791955） 1905年创立狭义相对论 两个基本原理： 爱因斯坦相对性原理 光速不变原理 时空观的变革：尺缩效应；钟慢效应； 质增效应；质能关系式。,两个基本原理,1、爱因斯

3、坦相对性原理：物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速运动着的坐标系中的哪一个并无关系。 2、光速不变原理：任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度C运动着，不管这道光线是由静止的还是由运动的物体发射出来的。,时空观的变革,尺缩效应,钟慢效应,质增效应,质能关系式,E = mc2,相对论,1916年，爱因斯坦建立广义相对论 验证：水星轨道近日点的反常进动 光在引力场中传播时发生频移 光线在引力场中发生偏转 （物理学史简编P702） 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关系。,爱因斯坦与相

4、对论,相对论的提出：1905年狭义相对论，该理论表明绝对空间与绝对时间的概念是想象中的虚构，不是直接由物理学的观察和实验得来的。牛顿的时空观是一种经验感觉。相对论中的质能方程表明以光速运动，质量与能量等效。关键词：同时性的相对性 是一场思想革命； 宇宙的形象被重新勾画； 决定论的梦想被推翻，不确定性的存在是不可改变的事实； 不确定性形成了富有魅力的世界。,早期阶段（20世纪40年代） A系统论：生物学家贝塔朗菲于20世纪30-40年代提出系统论思想。系统即为处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各组成部分的总体。 贝塔朗菲认为存在着适用于综合系统或子系统的模式、原则和规律，而不论种类、组成部分

5、的性质和它们之间的关系或力的情况如何，任务是确立适用于系统的一般原则。 给出了复杂性研究的主要问题：关系,B信息论 创始人是美国贝尔电话研究所数学家申农（Shannon）。 申农与1948年发表通讯的数学理论一文，为信息论奠定基础。 申农认为通讯的基本问题是精确地或近似地在一个点上再现另一个点上所选择的信号，其中信息源模型是一个随即过程。 携带复杂性的主要载体：信息,C控制论 是自动控制、电子技术、神经生理学、生物学、医学、心理学、数理逻辑、计算和技术、统计力学等多学科相互渗透交叉的产物。 1948年维纳出版的控制论关于在动物和机器中控制和通讯的科学，为该理论的奠基性著作。 产生复杂性的主要方

6、法：正反馈,复杂性探索 A 研究对象：系统完全有序和完全无序的系统是简单的；完全的有序是不可能的。 有序是指系统内部的要素和系统之间有规则的联系或转化。 有序与无序之间的系统呈现的是复杂性，即有序与无序的相互渗透； 系统中流动的有物流、能量流和信息流，其中物流与能量流是守恒的，信息流不守恒；,B系统中有序和无序的转换过程 1）：无序到有序的过程：代表理论如耗散结构理论创始人普里高津，对时间感兴趣的物理化学家，1969年正式提出该理论。 关于存在的物理学与关于过程的物理学 该理论表明一个远离平衡态的开放系统（力学的、物理的、化学的、生物的系统等），通过不断与外界交换物质与能量，在外界条件的变化达

7、到一定阈值时，可能从原有的混沌无序的杂乱状态，转变为一时间、空间或功能上的有序状态。,科学与人文的新关系：对一个形而上学问题的回答 宇宙如何形成的？产生的过程如何？ 上帝创造世界还是宇宙是自我形成的。 自然物质系统的演化，是不断打破平衡、建立平衡的过程，是有序与无序之间的转化过程，是进化与退化的辨证统一过程，是系统从一种结构到另一种结构的自组织演化过程。,（2）量子力学,普朗克（Maz K.E.L.Planck,18581947） 1900年12月4日，关于正常光谱的能量分布定律的理论，提出能量子基本假设量子力学诞生。 量子力学标志了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

8、辩证统一，凸现了量子现象的整体性，打破了机械决定论的观念。,（3）分子生物学,分子生物学由细胞水平深入到分子水平，在生物大分子层次上揭示了生物界基本结构和生命活动的高度一致性。 （1）生命遗传规律的探索 （2）分子生物学的建立（1953，DNA） （3）基因工程的发展 转基因动物 转基因植物 克隆技术 干细胞研究,（4）、系统论,系统论以“系统”的观点自然界，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。,（5）非线性自组织理论,耗散结构理论 协同学 突变论 超循环理论,无序 有序,（6）混沌理论,混沌理论 ： 混沌理论提供了一种关于系统演化的分

9、叉与混沌方式，他把简单性与复杂性、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更为深广的自然图景之中。,有序 无序,现代自然科学，特别是系统科学的发展，一方面揭示了系统是物质存在的基本形式，另一方面也为揭示自然界运动变化的原因问题提供了科学的方法，揭示出自然界物质的相互作用是复杂的、立体的因果网络，是系统的、整体的因果联系。,现代自然科学，特别是系统科学的发展，还深刻地触及了自然界运动和演化的方向问题。 恩格斯指出：“自然界不是循着一个永远一样的不断重复的圆圈运动，而是经历着实在的历史。 ” 自然界运动演化方向性的揭示，是辩证唯物自然观新发展的又一重要内容。 自然观的产生和一定时代的

10、科学发展水平相适应。随着自然科学的发展，辩证唯物主义自然观在不断地接受着检验并不断得到发展。,（7）自组织理论,自组织现象：在一定条件下系统通过自我组织而自发形成一种“有序结构”的现象。 自组织现象普遍地存在与自然界之中： 生命世界生物个体、生物群体； 非生命世界流体力学中的“贝纳德对流”、物理系统中的“激光”、化学系统中的“BZ反应”（化学振荡）,（8）耗散结构理论,一个远离平衡态的开放系统，通过不断与外界交换物质与能量，在外界条件的变化达到一定阈值时，可能从原有的混乱无序的杂乱状态，转变为一种时间、空间上或功能上的有序状态这种在远离平衡情况下形成的新的有序结构，称为“耗散结构”。（普利高津

11、结构、耗散和生命，1969）,物质系统稳定性的产生和耗散结构的存在密切相关,从状态上看 从产生条件上看 从过程上看,耗散结构理论使人们对物质形态的稳定性的认识建立在比较科学的、定量的、且正在发展的基础之上。,物质形态的稳定性既是动态的，又是相对的，是相对于一定范围而言的。,稳定,失稳,再稳定,二、自然界的系统存在方式,（一）自然系统的含义 存在的是什么？ 如何存在，怎样看待这种存在？ 对第一个问题的回答：自然界的物质形态 对第二个问题的回答： 自然界物质的系统性 自然物质系统的层次性 自然物质系统的稳定性与可变性 自然界演化的基本特征与规律,系统自然观认为： 系统是指由相互作用和相互依赖的若干

12、组成部分（即要素）结合而成的具有一定结构和确定功能的整体。 （1）要素是构成系统的成分或因子，在一定程度上决定系统的属性。 （2）结构是要素之间的联系方式，结构对系统的功能起决定的作用。分为空间结构、时间结构和时空复合结构。 （3）功能是系统在与环境的联系中表现出来的属性，环境则是在系统之外而又对系统有影响的所有事物的总称。 （4）整体性是系统的基本特征，表现为非加和性。,相互作用,要素（部分）与要素（部分）之间的相互作用结构 （空间结构、时间结构、时空结构） 系统作为整体与外部环境作用功能 系统作为整体与内部作用内部功能 环境：与系统或系统的组成部分发生相互作用而又不属于这个系统的所有事物的

13、总和。,系统结构和功能的统一。 要素、结构、功能与环境完备地规定一个系统所必须的。 注意： 1）只有那些有物质、能量、信息交换且造成新属性突现的联系，才能构成系统。 2）系统概念的要义并不是一般地强调联系，而是强调那种具有新质突现的联系。,（二）自然系统的 形态 （1） 孤立系统：系统与环境之间没有任何物质能量和信息的交流，而是一个与世隔绝的系统。 （2） 封闭系统：系统与外界环境没有物质的交流而只有信息和能量交流的系统。 （3） 开放系统： 系统与外界存在着广泛的信息、能量和物质交流的系统。 线性系统和非线性系统： 线性系统是指系统内部各要素以及它们之间的结构具有线性关系，整体等于各个部分的

14、简单叠加。 非线性系统是指系统内部各要素具有复杂的关系，结构为非线性，整体不等于各个部分功能的简单叠加。,自然物质系统的类型,分类考察自然界的有效方法 （对系统可从不同角度进行分类） 从系统内进行的实际过程分； 从系统与环境的关系分； 从系统所处的状态分； 从人对系统的认识程度分； 从人与物质系统的关系分,（三）自然系统的普遍性与层次性 系统自然观认为自然界的事物普遍以系统的方式存在着。 自然界的系统存在方式内包含了层次结构。 非生命界的层次为：宇观、宏观、微观。 宇观世界目前为总星系，下分超星系团、星系团、星系、星球。 宏观世界下分为分子、原子、原子核、电子、质子和中子，以及基本粒子。 生命

15、世界的层次为：地球生物圈、生物群落、种群、生物个体、体内的功能系统、器官、组织、细胞、生物大分子。,自然物质系统的层次性,物质系统的层次 物质系统层次之间的辨证关系 层次结构的因果链,推动天体演化的动力，是吸引和排斥既斗争又统一的相互作用。,河外星系,银河系,太阳系,世界的整体性和层次性,分子,原子,宇宙,旋涡星系,太阳系,地球,物体,生物系统,生 态,生物群落,生物种群,生物个体,器 官,组 织,细 胞,生物大分子,世界的整体性与可分性,世界的整体性和层次性,太阳正带领着9大行星、66颗卫星、众多的小行星以及慧星和流星体等围绕银河系中心以每秒250公里的速度旋转。,太阳系,银河系,物质是运动

16、的物质没有不运动的物质,发展不是一般的运动，而是上升性的运动。,发展是标志物质运动中前进的变化和进化的趋势,时代发展,石器时代,牛耕时代,蒸汽机时代,电子时代,信息时代,生命起源,无机物,有机物,低等动物,高等动物,人,人的一生,胚胎,童年,青年,老年,死亡,一、物质系统的层次结构,层次结构：若干由要素经相干性关系构成的系统，再通过新的相干性关系构成新系统的逐级构成的结构关系。 反映了客观存在着的自然界的等级结构。 层次性：具有质的差异的不同的系统等级或系统中的等级差异性。,总星系 星系团 星系 恒星 行星 地面上的宏观物体 分子 原子 原子核 （基本）粒子 夸克,非生命世界物质系统的层次,宇

17、观,宏观,微观,生物圈 生态系统 生物群落 种群 生物个体 系统 器官 组织 细胞 生物大分子,生命世界的基本物质系统层次,二、物质系统层次之间的辨证关系,1、物质系统层次是间断性与连续性的 统一 （1）物质系统层次的间断性： 不同层次的物质系统 质量范围与空间尺度范围不同 具有不同的结构、发挥不同的功能 遵循不同的运动规律,物质系统层次是间断性与连续性的统一,（2）物质系统层次的连续性 物质系统层次之间具有从属关系； 每一个层次的物质系统在一定条件下都能和相临层次的物质系统发生转化； 还往往表现在多个层次之间发生着相互联系和相互作用。,2、物质系统层次是 有限性和无限性的辨证统一,物质系统层

18、次的有限性：对于每一个具体层次的物质系统来说，其在质量范围、空间尺度、结构和功能等方面都是有限的；,物质系统层次的无限性：对于整个自然界来说，对自然界物质系统的层次的认识是不可穷尽的。任何一个具体的物质系统层次，都只不过是无限的自然界物质系统层次系列上的一个“关节点”。,3、层次结构的因果链,上向因果链：低层次物质系统作为原因，可以在高层次系统中引起一定的结果，可以决定高层次物质系统的特有规律； 下向因果链：高层次物质系统对低层次物质系统的限制和影响。 双向因果链一方面造成了层次之间的差别，另一方面也沟通了层次之间的联系。,三、自然界物质系统的运动形式 自然界物质系统的运动形式划分为四种基本类

19、型 机械运动 物理运动 化学运动 生命运动,自然物质系统的可变性,所有物质形态永远都处于这样或那样的运动变化之中 一方面，一切物质系统都以各种各样的运动作为自己的存在方式 另一方面，就其本质来说，这种可变性就意味着转化,运动形式的多样性,19世纪末，恩格斯曾根据当时科学发展的水平，把自然界的基本运动形式分为四种：机械运动、物理运动、化学运动、生物运动。 今天我们可将自然物质系统的运动区分为六种基本形式：机械运动、微观物理运动、宏观物理运动、宇观物理运动、化学运动、生物运动。 社会运动；渺观层次、涨观层次。,各种物质运动形式之间的关系,差异性（相互区别） 统一性（相互联系）：一方面，比较复杂的、

20、高级的运动形式包含则相对简单的、低级的运动形式；另一方面，各种运动形式之间还有着相互转化。,第二节 自然界的演化图景,宇宙的起源和演化 星系的起源和演化 恒星的起源和演化 地球的起源和演化 生命的起源和演化,（一）天体的起源和演化 1、总星系的起源和演化,（1）基本离子形成阶段,（2）元素起源阶段,（3）实物阶段,（4）宇宙未来阶段,取决于今天观测到的宇宙密度 开放型宇宙；振荡型宇宙。,支持大爆炸宇宙论的观测事实,河外星系的谱线红移(1929,哈勃）,宇宙中普遍存在着30%的氦丰度,绝对温度3度的微波背景辐射,2、恒星的起源和演化,星际弥漫物质 星云 原恒星 引力收缩（红外星） 主序星 红巨星

21、 白矮星 超新星爆发 黑矮星 星际物质 中子星 黑洞,3、太阳系的起源和演化 太阳的尺度比地球大130万倍，太阳的质量是地球的3倍，太阳集中了整个太阳系质量的约百分之九十九。太阳带领着九大行星、40多颗卫星、数以万计的小行星围绕银河系的核心运动着。 太阳的能量拥有宇宙中真正的能量宝库聚变核能。无论核裂变反应或核聚变反应，原子核都能转变为其它原子核。,三、自然界演化的自组织,自组织及自组织实现的条件：一个物质系统满足一些基本条件以后，才能自发地从无序向有序发展，通过进入有序状态。 1、远离热平衡态 2、开放系统 3、非线性相互作用 4、系统中存在正反馈 5、涨落、突变,（二）地球的演化,天文时期

22、,地球内部圈层的形成和演化 地球外部圈层的形成和演化,地质时期,垂直运动 水平运动,大陆漂移说 海底扩张说 板块构造说,（三）生命的起源和生物的进化,起源 ：简单小分子 有机小分子 生物大分子 原始生命 演化：细胞的形成 真核细胞的出现 多细胞体的形成 动物、植物、细菌的分别进化 动物 植物 细菌,光合作用,人类的起源 1876年，恩格斯的劳动在从猿到人的转变过程中的作用论证了劳动创造了人本身的理论，创立与发展了科学的人类起源论。其主要特点是： 一、人类在生物发展阶段上居最高位； 二、人的祖先。有一祖论和多祖论。后着主张是从不同古猿演化而来。 三、时间。地质年代属新生代的中新世至上新世之间，距

23、今约一千四百万年间，在亚非洲的广大地区。 四、原因和动力。真正意义上的劳动，从制造工具开始，使人类根本上脱离了动物界。,第三节 自然界演化的方向和规律 一、自然界演化的方向 三个范畴 有序和无序 可逆和不可逆 进化和退化,（一）有序和无序 有序是指系统内部各要素之间有规则的联系或转化； 无序是指事物内部诸要素或事物之间混乱而无规则的组合，以及事物运动转化的无规则性。总之，事物按照一定的客观次序进行有规则的排列、组合、运动、转化，一般称之有序；反之，则被称之为无序。,有序和无序的辨证关系 其一，任何事物都不可能是绝对的有序和绝对的无序。在有序的物质中，往往存在着破坏其有规则排列或秩序运动的因素，

24、如涨落、扰动、起伏、噪声、位错等。热力学第三定律指出，绝对零度是不可能达到的。也就是说，系统的熵不可能位零。 其二，有序和无序在一定条件下可以互相转化，二者是互相贯通而不是互相割裂的。如无序的自然光可以转变为激光；水在液态、气态时，分子运动时混乱的，但可凝成美丽的冰花，但经加热，又会丧失有序性，成为无序的水或蒸气。,自然物质系统的 稳定性与可变性,物质系统的稳定性 物质系统的可变性,（二）、可逆和不可逆,可逆 不可逆 热传导 扩散,自然界实际演化过程中的不可逆 热力学第二定律所表达的不可逆,（二）、可逆和不可逆,可逆和不可逆是标志事物发展过程的范畴。 客观事物在运动发展变化过程中，如果具有倒返性和回归性，这种过程为可逆的。如果事物的发展变化过程是单项的，具有不可倒返性，这种过程是不可逆的。 在自然界中，存在着与不可逆相联系的有条件的暂时的相对的可逆，在自然界演进的过程中，在一定条件下也会出现某些倒退和重复，有局部的环境和时间无关的现象。但在自然界运动变化和发展的长过程中，整个发展趋势又是不可逆的。,（三）、进化和退化,（1）进化： 低级 高级 简单 复杂,这里的“进化”不仅仅指生