三自然界的系統(tǒng)演化

1、 1 可逆與不可逆如果系統(tǒng)從某一狀態(tài)變到另一狀態(tài)后，能夠再回復(fù)到原來的狀態(tài)，并且同時(shí)使系統(tǒng)的環(huán)境也回復(fù)到原狀，這樣的過程就是可逆過程。 二 自然界的系統(tǒng)演化（一） 可逆性與不可逆性（是否有時(shí)間箭頭) 2自然界的演化過程是可逆還是不可逆的？自然界的演化過程是可逆還是不可逆的？存在物理學(xué)與演化物理學(xué)存在物理學(xué)：時(shí)間是從外部描述運(yùn)動(dòng)的一個(gè)參量，它的變化并不影響運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，因而也無法從運(yùn)動(dòng)性質(zhì)來判別時(shí)間。如牛頓力學(xué) 、相對(duì)論、量子力學(xué)f=mdr/dt 把t t，方程形式不變，對(duì)時(shí)間反演對(duì)稱，意味時(shí)間無方向性演化物理學(xué)：時(shí)間不再是描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的外在參量，而是和系統(tǒng)的演化相聯(lián)系的，從而是有物理內(nèi)容的時(shí)間。

2、熱力學(xué)中的傅立葉方程t(xt)t=-t(xt)x把t t，方程形式變化，時(shí)間反演不對(duì)稱或?qū)ΨQ性破缺，意味時(shí)間方向性 在科學(xué)史上，有許多科學(xué)家都把不可逆性看作在科學(xué)史上，有許多科學(xué)家都把不可逆性看作是近似的結(jié)果，或看作主體觀點(diǎn)向物理世界的入侵。是近似的結(jié)果，或看作主體觀點(diǎn)向物理世界的入侵。 例如，愛因斯坦認(rèn)為，不可逆性只是一種幻覺，例如，愛因斯坦認(rèn)為，不可逆性只是一種幻覺，一種主觀印象，他說：一種主觀印象，他說：“在物理學(xué)的基本定律中沒在物理學(xué)的基本定律中沒有任何不可逆性，你必須接受這樣的思想：主觀的有任何不可逆性，你必須接受這樣的思想：主觀的時(shí)間，連同它對(duì)時(shí)間，連同它對(duì)現(xiàn)在現(xiàn)在的強(qiáng)調(diào)，都是沒有

3、任何客的強(qiáng)調(diào)，都是沒有任何客觀意義的。觀意義的?！薄啊薄熬臀覀冞@些受人們信任的物理學(xué)家就我們這些受人們信任的物理學(xué)家而言，過去、現(xiàn)在和將來之間的區(qū)別只是一種幻覺，而言，過去、現(xiàn)在和將來之間的區(qū)別只是一種幻覺，然而，這種區(qū)別依然持續(xù)著。然而，這種區(qū)別依然持續(xù)著。”玻恩也曾經(jīng)斷言：玻恩也曾經(jīng)斷言：“不可逆性是無知介入物理學(xué)基本定律的后果。不可逆性是無知介入物理學(xué)基本定律的后果?！蔽覀?cè)绞巧钊氲胤治鰰r(shí)間的自然性質(zhì),我們就越加懂得時(shí)間的延續(xù)性意味著發(fā)明,就意味著新形式的創(chuàng)造,就意味著一切新鮮事物連續(xù)不斷地產(chǎn)生. 普里高津 實(shí)際上，自然界根本沒有絕對(duì)的、無實(shí)際上，自然界根本沒有絕對(duì)的、無條件的可逆變化，

4、可逆只是一種理想化條件的可逆變化，可逆只是一種理想化的產(chǎn)物，是在略去某些變化不計(jì)的情況的產(chǎn)物，是在略去某些變化不計(jì)的情況下的一種科學(xué)抽象。下的一種科學(xué)抽象。 例如，只有忽略掉磨擦，才有理想的單例如，只有忽略掉磨擦，才有理想的單擺，只有忽略其他天體對(duì)地球的影響，以及地?cái)[，只有忽略其他天體對(duì)地球的影響，以及地球本身的復(fù)雜性，才有嚴(yán)格周期性的地球公轉(zhuǎn)；球本身的復(fù)雜性，才有嚴(yán)格周期性的地球公轉(zhuǎn)；只有忽略掉熱的耗散，才有理想的卡諾循環(huán)。只有忽略掉熱的耗散，才有理想的卡諾循環(huán)。 但對(duì)于具體的過程來說，不可逆過程但對(duì)于具體的過程來說，不可逆過程也往往包含著某些可逆的因素也往往包含著某些可逆的因素 功熱轉(zhuǎn)化在

5、能量品位上是不可逆的，但轉(zhuǎn)功熱轉(zhuǎn)化在能量品位上是不可逆的，但轉(zhuǎn)化能力卻有可逆性；化學(xué)反應(yīng)在總體上是化能力卻有可逆性；化學(xué)反應(yīng)在總體上是不可逆的，但生成物依然可以復(fù)原為反應(yīng)不可逆的，但生成物依然可以復(fù)原為反應(yīng)物；生長(zhǎng)發(fā)育和衰老是不可逆過程，但機(jī)物；生長(zhǎng)發(fā)育和衰老是不可逆過程，但機(jī)體的協(xié)調(diào)性和組織性卻經(jīng)歷著由低到高和體的協(xié)調(diào)性和組織性卻經(jīng)歷著由低到高和由高到低的過程由高到低的過程 也許是基于這種考慮，普里戈津強(qiáng)調(diào)，無也許是基于這種考慮，普里戈津強(qiáng)調(diào)，無論可逆或不可逆都不是唯一普適的過程，論可逆或不可逆都不是唯一普適的過程，在一個(gè)多元化的世界中，可逆性與不可逆在一個(gè)多元化的世界中，可逆性與不可逆性是

6、并存于現(xiàn)實(shí)之中的。因此，對(duì)我們來性是并存于現(xiàn)實(shí)之中的。因此，對(duì)我們來說，重要的不是找出簡(jiǎn)單純粹的可逆性與說，重要的不是找出簡(jiǎn)單純粹的可逆性與不可逆性，而是要探討現(xiàn)實(shí)事物中究竟包不可逆性，而是要探討現(xiàn)實(shí)事物中究竟包含哪些可逆與不可逆的因素，它們對(duì)物質(zhì)含哪些可逆與不可逆的因素，它們對(duì)物質(zhì)世界的演化發(fā)展起著怎樣的作用。世界的演化發(fā)展起著怎樣的作用。（二）自然界演化的方向性：進(jìn)化或退化1概念進(jìn)化一般是指物質(zhì)客體演化中由無序到有序、由低序到高序的趨勢(shì)和過程或復(fù)雜性和多樣性的增長(zhǎng)。退化般是指物質(zhì)客體演化中由有序到無序、由高序到低序的趨勢(shì)和過程。 序是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的聯(lián)系及演化過程性質(zhì)的描述，它表征著

7、系統(tǒng)的組織程度。 度量參量：熵、信息量、序參量 熱力學(xué)對(duì)演化過程的揭示：卡諾原理：溫度均衡過程必導(dǎo)致做功可能性的喪失熱力學(xué)第二定律： 湯姆遜：不能從單一熱源取熱全部轉(zhuǎn)化 為 功而不產(chǎn)生其它影響。 克勞修斯：熱不可能從低溫物體流向高溫物體而不產(chǎn)生其它影響2 科學(xué)理論對(duì)時(shí)間箭頭指向的回答可以證明，只要有熱量從高溫物體流向低溫可以證明，只要有熱量從高溫物體流向低溫物體，系統(tǒng)的熵就會(huì)增加。熵的變化就成為物體，系統(tǒng)的熵就會(huì)增加。熵的變化就成為可逆過程與不可逆過程差異的一種判據(jù)。可逆過程與不可逆過程差異的一種判據(jù)。 用熵表述為： 一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總趨于增大（熵增定律）用熵表述為： 一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總趨于增

8、大（熵增定律）熵：本義是表征系統(tǒng)的狀態(tài) 宏觀意義表征系統(tǒng)能量分布的均勻程度 （能量平均狀態(tài)是熵值達(dá)到最大的狀態(tài)） 微觀意義表征系統(tǒng)內(nèi)部粒子的無序程度考察熱力學(xué)能量從有效到無效狀態(tài)的轉(zhuǎn)化從較高集中程度向較低集中程度的轉(zhuǎn)化從有序狀態(tài)向無序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變熵的概念使熵的概念使熱力學(xué)第二定律超出于熱力學(xué)被出于熱力學(xué)被推廣到更加廣泛的領(lǐng)域。推廣到更加廣泛的領(lǐng)域。熵理論在物理學(xué)中第一次真正觸及到自然界發(fā)展的不可逆性問題熵理論運(yùn)用于整個(gè)宇宙，提出以熵理論為基礎(chǔ)的宇宙理論。 赫爾姆霍茲提出宇宙熱寂說：宇宙不斷變冷（或熱），所有有用的能量最后都轉(zhuǎn)化為熱，宇宙最終要處于溫度均勻的狀態(tài)，所有的自然過程都將停止。 宇宙的熱

9、寂相當(dāng)于永恒的寧?kù)o。一旦宇宙達(dá)到熱寂，宇宙將呈現(xiàn)一幅慘淡的景象能量在那里還是有的，但它已經(jīng)喪失了它全部的轉(zhuǎn)化能力，它已經(jīng)不能迫使宇宙工作，我們將停留在死寂的但可能是溫暖的宇宙中。瓊斯 在一個(gè)非常真實(shí)的意義上，我們都是這個(gè)在劫難逃的星球上的失事船只中的旅客。-維納 生物進(jìn)化論的演化方向： 從簡(jiǎn)單到復(fù)雜 對(duì)熱力學(xué)第二定律與生物進(jìn)化論的矛盾的解決 麥克斯韋妖的提出試圖解決兩者的矛盾 齊拉德證明妖是一個(gè)有智力的存在物，妖的能力的獲得涉及信息的交換、傳遞和熵的變化提出負(fù)熵 的概念 薛定諤：一個(gè)開放系統(tǒng)，能夠不斷的從外界獲得并積累能量，即能產(chǎn)生負(fù)熵。有機(jī)體如此 ds=des+dis式中，des稱熵流，可為

10、正，也可為負(fù)，也可為零，dis是內(nèi)部的熵產(chǎn)生，這部分絕對(duì)不會(huì)為負(fù)，即dis0。孤立系統(tǒng) des0，dsdis0，熵增 封閉系統(tǒng) des0，ds0，熵增開放系統(tǒng) des0，且desdis，則ds0 熵減耗散結(jié)構(gòu)理論 在自然界中進(jìn)化和退化這兩種演化方向都存在它們都具有一定的普遍性，但都不是唯一普適的現(xiàn)象。3 進(jìn)化和退化的統(tǒng)一性 進(jìn)化與退化相互包含以進(jìn)化為主的過程往往內(nèi)在地包含著退化。同樣，以退化為主的過程也常常內(nèi)在地包含著進(jìn)化。 進(jìn)化與退化同存共生進(jìn)化與退化常常是同時(shí)存在和同步發(fā)生的。它們往往是一個(gè)過程的兩個(gè)方面。 進(jìn)化與退化的相互交替 進(jìn)化與退化往往是交替進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化的。進(jìn)化過程在一定條件下會(huì)轉(zhuǎn)

11、入退化。退化過程在一定條件下也可以轉(zhuǎn)入進(jìn)化。 世界圖景的多元格局無時(shí)間性圖景有時(shí)間性圖景向高熵發(fā)展向低熵發(fā)展 近代形而上學(xué)自然觀極力把自然界描述為一架機(jī)器，近代形而上學(xué)自然觀極力把自然界描述為一架機(jī)器，靠靠“第一次推動(dòng)第一次推動(dòng)”開始運(yùn)轉(zhuǎn)，其發(fā)生和發(fā)展的根據(jù)和動(dòng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，其發(fā)生和發(fā)展的根據(jù)和動(dòng)力都是在外部，沒有外來動(dòng)力它根本不會(huì)發(fā)生變化。如力都是在外部，沒有外來動(dòng)力它根本不會(huì)發(fā)生變化。如果自然界的演化是他組織的，如果自然界的各種物質(zhì)系果自然界的演化是他組織的，如果自然界的各種物質(zhì)系統(tǒng)的形成是外界強(qiáng)加給自然界的，那就必然會(huì)追溯到統(tǒng)的形成是外界強(qiáng)加給自然界的，那就必然會(huì)追溯到“全知全能的上帝全知全

12、能的上帝”，乞靈于神明的主宰了。而辯證唯，乞靈于神明的主宰了。而辯證唯物主義自然觀則認(rèn)為，自然界的演化是物主義自然觀則認(rèn)為，自然界的演化是“自己運(yùn)動(dòng)自己運(yùn)動(dòng)”的的結(jié)果，是事物的自身矛盾的表現(xiàn)，自組織性是自然界各結(jié)果，是事物的自身矛盾的表現(xiàn)，自組織性是自然界各種演化過程的本質(zhì)屬性。正是在這一點(diǎn)上，兩種演化觀種演化過程的本質(zhì)屬性。正是在這一點(diǎn)上，兩種演化觀形成了明顯的分野。形成了明顯的分野。（三） 自然演化的自組織機(jī)制 非平衡自組織理論關(guān)于系統(tǒng)走向有序即系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)的根據(jù)和條件的論述，對(duì)于理解一般進(jìn)化的條件是極有意義的耗散結(jié)構(gòu)理論形成的條件(1)系統(tǒng)處于遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)。(2)系統(tǒng)必須是一個(gè)開放

13、系統(tǒng)，即系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)境之間要有物質(zhì)、能量、信息的交換與流通，并且必須使系統(tǒng)從外部輸入的負(fù)熵流絕對(duì)值大于系統(tǒng)內(nèi)部的熵產(chǎn)生，從而使系統(tǒng)的熵逐步減小 （3）形成有序結(jié)構(gòu)的各要素之間存在著非線性的相互作用。這種相互作用使各要素間產(chǎn)生l 相干效應(yīng)與協(xié)調(diào)動(dòng)作，從而可以使系統(tǒng)從雜亂無章變?yōu)榫挥行颉 分支效應(yīng) 使系統(tǒng)產(chǎn)生多個(gè)可能的分支在一個(gè)確定參量下，線性方程只有一個(gè)特解，非線性方程在一個(gè)確定的參量下，可以同時(shí)有多個(gè)特解，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的多個(gè)定態(tài)l 產(chǎn)生臨界效應(yīng)(4) 非線性相互作用使系統(tǒng)演化產(chǎn)生多個(gè)可能的非線性相互作用使系統(tǒng)演化產(chǎn)生多個(gè)可能的分支，面臨多向選擇，那么，怎樣才能完成對(duì)分支，面臨多向選擇，那么，怎

14、樣才能完成對(duì)不同演化途徑的選擇，究竟哪一種演化途徑才不同演化途徑的選擇，究竟哪一種演化途徑才能成為現(xiàn)實(shí)？這關(guān)鍵的一步是通過隨機(jī)的漲落能成為現(xiàn)實(shí)？這關(guān)鍵的一步是通過隨機(jī)的漲落來完成的。來完成的。 所謂漲落，是指系統(tǒng)中某個(gè)變量或行為對(duì)統(tǒng)所謂漲落，是指系統(tǒng)中某個(gè)變量或行為對(duì)統(tǒng)計(jì)平均值的偏離。計(jì)平均值的偏離。 系統(tǒng)中存在漲落是不可避免的，它是一系統(tǒng)中存在漲落是不可避免的，它是一切實(shí)際系統(tǒng)固有的特征。切實(shí)際系統(tǒng)固有的特征。 比如流體中液滴的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)；原子的受激躍遷和自發(fā)比如流體中液滴的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)；原子的受激躍遷和自發(fā)輻射；反應(yīng)物濃度的隨機(jī)波動(dòng)等。這些漲落可由系統(tǒng)內(nèi)輻射；反應(yīng)物濃度的隨機(jī)波動(dòng)等。這些漲落可由

15、系統(tǒng)內(nèi)部的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起，也可由環(huán)境不可控的干擾引起。部的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起，也可由環(huán)境不可控的干擾引起。 漲落所起的作用與系統(tǒng)所處的狀態(tài)有關(guān)。漲落所起的作用與系統(tǒng)所處的狀態(tài)有關(guān)。 當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定時(shí)，漲落還僅僅是一些小的當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定時(shí)，漲落還僅僅是一些小的干擾而已，它會(huì)由于系統(tǒng)自身的抗干擾能力而逐干擾而已，它會(huì)由于系統(tǒng)自身的抗干擾能力而逐步衰減，從而使系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)。步衰減，從而使系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)。 但是，如果系統(tǒng)處于遠(yuǎn)離平衡的不穩(wěn)定態(tài)，但是，如果系統(tǒng)處于遠(yuǎn)離平衡的不穩(wěn)定態(tài)，即在臨界點(diǎn)附近，微小的漲落才會(huì)得以放大，變即在臨界點(diǎn)附近，微小的漲落才會(huì)得以放大，變成具有宏觀尺度的成具有宏觀尺度的

16、“巨漲落巨漲落”，從而使系統(tǒng)一下，從而使系統(tǒng)一下子躍遷到一個(gè)新的有序狀態(tài)，這就是子躍遷到一個(gè)新的有序狀態(tài)，這就是“漲落導(dǎo)致漲落導(dǎo)致有序有序”的情況。的情況。 “漲落導(dǎo)致有序漲落導(dǎo)致有序”的這種作用表明了進(jìn)的這種作用表明了進(jìn)化是一個(gè)偶然性與必然性相互影響的過程?；且粋€(gè)偶然性與必然性相互影響的過程。 在靠近臨界點(diǎn)的地方，系統(tǒng)呈現(xiàn)出很大的起在靠近臨界點(diǎn)的地方，系統(tǒng)呈現(xiàn)出很大的起伏，系統(tǒng)好象在各種可能的演化方向之間伏，系統(tǒng)好象在各種可能的演化方向之間“猶猶豫不決豫不決” 。一個(gè)小的起伏可以引起一個(gè)新的變。一個(gè)小的起伏可以引起一個(gè)新的變化，它將劇烈地改變宏觀系統(tǒng)的整個(gè)行為?；?，它將劇烈地改變宏觀系統(tǒng)的

17、整個(gè)行為。 （5） 正反饋推動(dòng)系統(tǒng)走向有序。負(fù)反饋往往會(huì)使系統(tǒng)的變化衰減，而正反饋則會(huì)使系統(tǒng)的變化被放大和加劇，從而推動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)變，加速系統(tǒng)自復(fù)制自組織的過程，使要素微觀協(xié)同產(chǎn)生出宏觀秩序。耗散結(jié)構(gòu)機(jī)理圖結(jié)構(gòu)功能漲落非平衡自組織理論的這些成果，對(duì)如何一般地理解進(jìn)化的條件和根據(jù)提供了有益啟示 系統(tǒng)中的相互作用是系統(tǒng)進(jìn)化的基本根據(jù)外部獲得物質(zhì)和能量是系統(tǒng)進(jìn)化的基本條件 內(nèi)部漲落是系統(tǒng)進(jìn)化的直接誘因 在與環(huán)境的交換中，通過自組織形成耗散結(jié)構(gòu)，即遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)形成的，并且以能量的耗散來維持自身穩(wěn)定性的，不以外界的微小擾動(dòng)而消失的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)。如貝納德花紋 耗散結(jié)構(gòu)： 退化是物質(zhì)系統(tǒng)演化的另一

18、種方向和趨勢(shì)。系統(tǒng)為什么退化？這同樣是所有演化理論應(yīng)該回答的一個(gè)問題。 關(guān)于孤立系統(tǒng)的退化，顯然可以用熵增規(guī)律進(jìn)行解釋。但是，關(guān)于開放系統(tǒng)的退化又如何解釋呢？當(dāng)代混沌學(xué)、非線性科學(xué)等系統(tǒng)科學(xué)的研究，為我們了解從有序向無序的轉(zhuǎn)化開啟了一個(gè)窗口。通往混沌的道路 一個(gè)非線性系統(tǒng)從有序態(tài)通往混沌的道路有許多條，目前研究得比較充分的主要有以下三條：（1）倍周期分岔 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)變化的周期行為是一種有序狀態(tài)。但在一定條件下，系統(tǒng)經(jīng)過周期加倍，會(huì)逐步喪失周期行為而進(jìn)入混沌。0n混混 沌沌 區(qū)區(qū)（2）陣發(fā)混沌 陣發(fā)混沌是指系統(tǒng)從有序向混沌轉(zhuǎn)化時(shí)，在非平衡非線性的條件下，某些參數(shù)的變化達(dá)到一定的閾值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)時(shí)而有序、時(shí)而混沌的隨機(jī)振蕩。有關(guān)參數(shù)繼續(xù)變化，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)由陣發(fā)混沌進(jìn)入完全的混沌。陣發(fā)混沌是非平衡過程進(jìn)入混沌的又一條道路。（3）茹勒泰肯道路當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)有不同頻率的振蕩互相耦合時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)新的耦合頻率的運(yùn)動(dòng)。混沌狀態(tài)可以看做有無窮多個(gè)頻率耦合的振動(dòng)現(xiàn)象，而這無窮多個(gè)頻率耦拿振現(xiàn)象的出現(xiàn)，并不需要一個(gè)數(shù)量上的累積疊加。實(shí)際過程是，只要系統(tǒng)出現(xiàn)了三個(gè)互不相關(guān)的頻率耦合時(shí)，系統(tǒng)就必然形成無窮多個(gè)頻率的耦合。所謂茹勒泰肯道路，就是指只要系統(tǒng)有三個(gè)以上的頻率互相耦合時(shí)，系統(tǒng)就出現(xiàn)混沌的現(xiàn)象。（四）自然系統(tǒng)演化的基本方式1分叉：穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性無論進(jìn)化或退化，