自然界的存在與演化

1、自然界的存在與演化1自然觀中有兩個(gè)問題是最重要的： 自然界是如何構(gòu)成的？ 自然界是如何發(fā)展的。 2一、自然界的物質(zhì)形態(tài)一、自然界的物質(zhì)形態(tài) 物質(zhì)形態(tài)的多樣性和統(tǒng)一性 固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、超密態(tài)、真空?qǐng)?、反物質(zhì)3 真空?qǐng)觯嚎偰芰刻幱谧畹蜖顟B(tài)的場(chǎng)，即基態(tài)的量子場(chǎng)。 沒有實(shí)物粒子，但具有真空漲落、真空相變、真空對(duì)稱自發(fā)破缺等特性，真空?qǐng)鍪沁@些性質(zhì)的載體，說明它是物質(zhì)的一種特殊形態(tài)。 4 反物質(zhì)：由反粒子（正電子、反質(zhì)子等）構(gòu)成。 從理論上講存在著反電子、反質(zhì)子和反中子等“反”粒子構(gòu)成的“反”物質(zhì)，但尚無觀測(cè)上的直接證據(jù)。 5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想： 低能反質(zhì)子環(huán)形加速器的形狀如同田徑場(chǎng)的跑道，有彎

2、道和直道；反質(zhì)子流與氙原子核在直道上對(duì)撞，可能產(chǎn)生反氫原子；由于反氫原子不帶電，不會(huì)受到磁場(chǎng)的影響，那么若在直道與彎道結(jié)合處安裝上探測(cè)器，就可以記錄下直線飛行的粒子。 6二、自然界以系統(tǒng)方式存在著的有機(jī)整體以系統(tǒng)方式存在著的有機(jī)整體1、系統(tǒng)：自然界物質(zhì)存在的普遍形式、系統(tǒng)：自然界物質(zhì)存在的普遍形式 其一，一個(gè)系統(tǒng)必須有兩個(gè)以上的要素組成； 其二，系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)要素之間、系統(tǒng)要素與系統(tǒng)整體之間的相互聯(lián)系、相互作用，形成了特定的結(jié)構(gòu)； 其三，系統(tǒng)要素彼此之間聯(lián)系成一個(gè)統(tǒng)一整體； 其四，系統(tǒng)作為整體對(duì)環(huán)境表現(xiàn)出特定的功能。 系統(tǒng)是由兩個(gè)以上相互聯(lián)系與相互作用的要素組成的具有特定結(jié)構(gòu)和功能的有機(jī)整體。 7

3、 整個(gè)自然界可以看作是一個(gè)系統(tǒng)，自然界中的一切物質(zhì)客體都自成系統(tǒng)。 系統(tǒng)就是自然界物質(zhì)存在的普遍形式。 82、系統(tǒng)與環(huán)境：自然界是一個(gè)動(dòng)態(tài)的開放系、系統(tǒng)與環(huán)境：自然界是一個(gè)動(dòng)態(tài)的開放系統(tǒng)統(tǒng) 環(huán)境是系統(tǒng)存在的必要條件，系統(tǒng)的性質(zhì)和功能是通過環(huán)境顯現(xiàn)出來的。 系統(tǒng)通過輸入與輸出對(duì)環(huán)境發(fā)生影響。 9 孤立系統(tǒng)孤立系統(tǒng)：與環(huán)境隔絕的系統(tǒng)，它們之間沒有任何交換。 封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)：與外界環(huán)境只有能量的交換的系統(tǒng)。 開放系統(tǒng)開放系統(tǒng)：是與環(huán)境自由地進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換的系統(tǒng)。 10 開放系統(tǒng)被定義為在同環(huán)境交換物質(zhì)的過開放系統(tǒng)被定義為在同環(huán)境交換物質(zhì)的過程中呈現(xiàn)出輸入和輸出、自身物質(zhì)組分的程中呈現(xiàn)出輸

4、入和輸出、自身物質(zhì)組分的組建和破壞的系統(tǒng)。組建和破壞的系統(tǒng)?！?奧L.V.貝塔朗菲著：一般系統(tǒng)論（基礎(chǔ)發(fā)展應(yīng)用），社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，1987年，P11811 生命有機(jī)體之所以能處于有組織的活動(dòng)狀態(tài)，就是由于生命系統(tǒng)能不斷地與外界進(jìn)行物生命系統(tǒng)能不斷地與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換質(zhì)、能量和信息的交換。 12 自然界的物質(zhì)系統(tǒng)都是非孤立系統(tǒng)、非封閉系統(tǒng)，總是與環(huán)境存在相互作用的開放系統(tǒng)。 整個(gè)自然界就是由各種動(dòng)態(tài)的開放系統(tǒng)組成的。 133、自然界的整體性與層次性、自然界的整體性與層次性 自然系統(tǒng)的基本屬性 系統(tǒng)的整體性 系統(tǒng)的各個(gè)要素按一定方式構(gòu)成的有機(jī)整體，系統(tǒng)是各個(gè)要素的有機(jī)集合，而不是

5、簡單地機(jī)械加和。 14 貝塔朗菲指出：亞里士多德的“整體大于各孤立部分之和”的論點(diǎn)，至今仍然是“基本的系統(tǒng)問題的一種表述。” （貝塔朗菲：普通系統(tǒng)論的歷史和現(xiàn)狀，載科學(xué)學(xué)譯文集，科學(xué)出版社，1981年，P305）15系統(tǒng)的層次性系統(tǒng)的層次性， 系統(tǒng)由一定的要素組成，一方面這些要素是由更低一層次的要素組成的子系統(tǒng)；另一方面，系統(tǒng)自身又是更大系統(tǒng)的組成要素。 1617 層次結(jié)構(gòu)的結(jié)合度層次結(jié)構(gòu)的結(jié)合度。 層次由低到高推進(jìn)，結(jié)合的緊密程度由大到小而遞減。 一定的物質(zhì)層次與一定的閾值相適應(yīng)。1819 在認(rèn)識(shí)自然物時(shí)，對(duì)認(rèn)識(shí)某一層次的物質(zhì)系統(tǒng)來說，對(duì)它的低層系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)可視為黑箱。 20 低層系統(tǒng)與

6、高層系統(tǒng)之間的因果聯(lián)系低層系統(tǒng)與高層系統(tǒng)之間的因果聯(lián)系 低層次系統(tǒng)作為原因可以在高層次系統(tǒng)中引起一定的結(jié)果；而高層次系統(tǒng)作為原因也會(huì)在低層次系統(tǒng)中引起某些結(jié)果； “雙向因果鏈雙向因果鏈”21 可以通過對(duì)低層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、規(guī)律等方面的認(rèn)識(shí)，來取得高層系統(tǒng)的一些認(rèn)識(shí)； 可以從高層系統(tǒng)的規(guī)律出發(fā)，考慮到相應(yīng)的邊界條件和對(duì)應(yīng)規(guī)則，對(duì)低層系統(tǒng)的現(xiàn)象給一些解釋。22 層次結(jié)構(gòu)中的雙向因果鏈，既表明了低層系統(tǒng)對(duì)高層系統(tǒng)的基礎(chǔ)性作用，又表明了高層系統(tǒng)對(duì)低層系統(tǒng)的制約調(diào)節(jié)性作用。 反對(duì)還原主義，也要反對(duì)特創(chuàng)主義。 23三、自然演化的科學(xué)圖景三、自然演化的科學(xué)圖景 把歷史觀引入自然科學(xué)，從而形成科學(xué)基礎(chǔ)上的自然界歷

7、史觀。 24 自然界的演化過程 宇宙和天體的起源與演化宇宙和天體的起源與演化 第一個(gè)階段是基本粒子形成階段 第二個(gè)階段是輻射階段或核合成階段 第三個(gè)階段是實(shí)物階段 25 恒星的演化有四個(gè)階段：恒星的演化有四個(gè)階段： 引力收縮階段； 主序星階段； 紅巨星階段； 脈沖階段26地球的演化地球的演化 地球是在太陽系形成的過程中誕生的。 首先是地球內(nèi)部圈層的形成和演化 其次是地球外部圈層的形成和演化 再是地殼運(yùn)動(dòng) 27生命的起源和生物的進(jìn)化生命的起源和生物的進(jìn)化 從無機(jī)小分子合成有機(jī)小分子 從有機(jī)小分子合成生物大分子 從生物大分子組成多分子體系 從多分子體系演變?yōu)樵忌?28 原始生命經(jīng)歷了從非細(xì)胞到

8、細(xì)胞，從原核細(xì)胞到真核細(xì)胞的演化過程。 植物沿著菌藻植物、苔蘚植物、蕨類植物、裸子植物、被子植物的方向進(jìn)化； 動(dòng)物沿著無脊椎動(dòng)物、脊椎動(dòng)物的方向發(fā)展；脊椎動(dòng)物又沿著魚類、兩棲類、爬行類和哺（bu）乳動(dòng)物類的方向前進(jìn)，最后由哺乳動(dòng)物類分化出了人類。 29人類的起源和進(jìn)化人類的起源和進(jìn)化 人類是從脊椎動(dòng)物靈長類中的猿分化出來的。勞動(dòng)是促成這一轉(zhuǎn)變的決定性條件。 古猿（南方古猿）階段 猿人（直立人）階段 早期智人（古人）階段 晚期智人（新人）階段302、自然演化的方向：進(jìn)化與退化、自然演化的方向：進(jìn)化與退化 19世紀(jì)出現(xiàn)了關(guān)于自然界演化問題的兩股思潮，即創(chuàng)立了兩種演化理論。 克勞修斯等人提出的熱力學(xué)

9、第二定律及其推廣 達(dá)爾文為代表創(chuàng)立的生物進(jìn)化論。 31熱力學(xué)第二定律有兩種表述熱力學(xué)第二定律有兩種表述： 開爾文：不可能從單一熱源吸收熱量使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響。 克勞修斯：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。 32 它們反映了自然界與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程的一個(gè)總的特征，即熱傳導(dǎo)的過程或功變熱的過程都是不可逆的。 這種不可逆過程的結(jié)果，不可能借系統(tǒng)內(nèi)部的任何其他過程而自動(dòng)復(fù)原。 33 “熵”概念來表述熱力學(xué)第二定律：自然界的一切自發(fā)過程，總是沿著熵增加的方向進(jìn)行。 熵的微觀意義：微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)所引起的無序性的量度。 熵增加：無序性程度增加，系統(tǒng)更加混亂； 熵減少：

10、無序性程度減小，系統(tǒng)有序程度增大。 34 1865年，克勞修斯的兩條熱力學(xué)基本原理： 宇宙的能量是常數(shù)； 宇宙的熵趨于一個(gè)極大值。 “宇宙熱死宇宙熱死” 35生物進(jìn)化論生物進(jìn)化論： 整個(gè)生物界的物種都是通過生存斗爭和自然淘汰，經(jīng)過千百萬年進(jìn)化、分化、復(fù)雜化而發(fā)展起來的。 36 其進(jìn)化的方向：其進(jìn)化的方向： 簡單簡單復(fù)雜復(fù)雜 低級(jí)低級(jí)高級(jí)高級(jí) 無序無序有序有序 建設(shè)、創(chuàng)新、組織化。建設(shè)、創(chuàng)新、組織化。 37 這兩種理論一個(gè)是有序到無序，退化！一個(gè)是無序到有序，進(jìn)化！ 兩種不同的演化圖景兩種不同的演化圖景38恩格斯：自然辯證法，P22、 P23 “運(yùn)動(dòng)的不滅不能僅從數(shù)量上去把握，而運(yùn)動(dòng)的不滅不能僅

11、從數(shù)量上去把握，而且還必須從質(zhì)量上去理解。且還必須從質(zhì)量上去理解?！?“放射到太空的熱一定有可能通過某種放射到太空的熱一定有可能通過某種途徑（指明這一途徑，將是以后自然科途徑（指明這一途徑，將是以后自然科學(xué)的課題）轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在這種學(xué)的課題）轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在這種形式中，它能夠重新集結(jié)和活動(dòng)起來。形式中，它能夠重新集結(jié)和活動(dòng)起來?！?9 科學(xué)家的基本思路是：考慮系統(tǒng)如何從無序到有序，如果能找到從無序發(fā)展到有序的自然過程，則問題就解決了。 40 1871年，麥克斯韋提出了著名的“麥克斯韋麥克斯韋妖妖”（Maxwels demon ）的理想實(shí)驗(yàn)。 41 1929年，德國齊拉德證明麥克斯韋妖

12、麥克斯韋妖其實(shí)是一個(gè)有智力的有智力的存在物，它能記憶記憶和識(shí)別識(shí)別。 42 1948年，信息論創(chuàng)始人申農(nóng)定義信息熵為信息量的缺損，即信息量相當(dāng)于負(fù)熵。 麥克斯韋妖獲得了信息就是獲得了負(fù)熵。 43 1967年，比利時(shí)科學(xué)家普里高津提出了“耗散結(jié)構(gòu)理論” 一個(gè)處于遠(yuǎn)離熱平衡態(tài)的開放系統(tǒng)（無論是力學(xué)的、物理的、化學(xué)的、生物的還是社會(huì)的、經(jīng)濟(jì)的、文化的系統(tǒng)）可以通過不斷地與外界環(huán)境交換物質(zhì)、能量和信息，能夠從原來的混沌無序的混亂狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N時(shí)間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。44 1944年，德國物理學(xué)家薛定諤指出：如果如果有一種機(jī)構(gòu)，它是開放系統(tǒng)，能夠不斷地有一種機(jī)構(gòu)，它是開放系統(tǒng)，能夠不斷地從外

13、界獲得并積累自由能，它就產(chǎn)生從外界獲得并積累自由能，它就產(chǎn)生“負(fù)負(fù)熵熵”。生命體就是這樣的機(jī)構(gòu)。他說：“要擺要擺脫死亡，就是說要活著，唯一的辦法就是脫死亡，就是說要活著，唯一的辦法就是從環(huán)境中不斷地汲取負(fù)熵。從環(huán)境中不斷地汲取負(fù)熵?！保ㄉ鞘裁?， P78）45 一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，其總熵的變化由兩部分組成： ：系統(tǒng)本身由于不可逆過程引起的熵的增加，熵產(chǎn)生，永正； ：系統(tǒng)與外界交換物質(zhì)和能量引起的熵流，可正可負(fù)。sdsddseisdisde46 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，恒有 （等號(hào)對(duì)應(yīng)于平衡態(tài)） 在孤立系統(tǒng)中，沒有熵流， 則系統(tǒng)沒有熵變； ，系統(tǒng)只能由有序走向無序。0ds0sde0sddsi

14、47 當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)存在熵流，即 時(shí)，要做具體分析： 當(dāng) ，則 ，加速了系統(tǒng)趨向無序； 當(dāng) ，且當(dāng) 時(shí)， 可以小于0， 即 ；這時(shí)系統(tǒng)的總熵隨時(shí)間變化而逐漸減小。 0sde0sde0ds0sdesdsdieds0sdsddsei48 耗散結(jié)構(gòu)理論指出在開放條件下，系統(tǒng)如何在不違反熱力學(xué)第二定律的情況下，經(jīng)過自組織過程，從無序演化為有序結(jié)構(gòu)。 493、自然界演化的動(dòng)力（內(nèi)在根據(jù)）、自然界演化的動(dòng)力（內(nèi)在根據(jù)） 自然系統(tǒng)進(jìn)化的內(nèi)在根據(jù)非線性相互作用。 非線性相互作用是物質(zhì)世界的本質(zhì)，是事物運(yùn)動(dòng)的真正“終極原因”。 50 線性方程 11)(axxy22)(axxy)()()()(21212121xyxy

15、axaxxxaxxy51 特征特征 ： 一是加和性：各要素彼此獨(dú)立，互不干涉，整體就等于各組成部分之和，根本不可能有新質(zhì)突觀生成。 二是具有對(duì)稱性： 的反函數(shù) 仍為線性函數(shù)。 axy xay152 三是具有均勻性： 的導(dǎo)數(shù) 為常數(shù)，表示變化率恒定，不隨時(shí)空而變。 在線性相互作用條件下，事物完全按照確定的規(guī)律發(fā)展，沒有任何隨機(jī)性，只要知道了初始條件，根據(jù)線性微分方程就可以測(cè)算出它在未來任一時(shí)刻的位置和狀態(tài)。axy adxdy53 非線性相互作用有著本質(zhì)的不同 211)(axxy222)(axxy2121212221221212)()(2)()(xaxxyxyxaxaxaxxxaxxy54 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 是各要素間具有非獨(dú)立的相干性各要素間具有非獨(dú)立的相干性，相互依賴，相互制約，具有相