第二講 系統(tǒng)自然觀

第二講系統(tǒng)自然觀1第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日本講內容自然界的存在方式自然界的物質性自然界的系統(tǒng)性自然界的層次性自然界的系統(tǒng)演化自然界的演化過程自然界的演化方式自然界的演化方向2第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日自然界的物質性3第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日物質概念的發(fā)展阿那克西美尼德莫克利特

關于物質的概念可以追溯到古代人們對自然界本原的理解?；鹪託馑味蠈W唯物主義原子4第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日物質究竟是什么：列寧的物質定義

“物質是標志客觀實在的哲學范疇，這種客觀實在是人通過感覺感知的，它不依賴于我們的感覺而存在，為我們的感覺所復寫、攝影、反映?！?/p>

——列寧列寧像5第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日自然界物質形態(tài)的多樣性以空間尺度為標準，自然界的物質形態(tài)可分為宇觀、宏觀和微觀三個領域。宇觀領域有億萬天體構成的天體系統(tǒng)，宏觀領域有生命物質和非生命物質，微觀領域則有350種左右的基本粒子。以物質的聚積狀態(tài)為標準，通常把各種物質形態(tài)歸結為三態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。但這只是地球上人們經(jīng)常接觸的物質形態(tài)。在認識宇宙的過程中，人們接觸更多的則是下面的物質形態(tài)：等離子態(tài)和超固態(tài)。此外，有人主張物質的聚積狀態(tài)除了上述五種形態(tài)外還有第六態(tài)——真空場，第七態(tài)——反物質，第八態(tài)——暗物質。6第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日自然界物質形態(tài)的統(tǒng)一性自然界萬物在化學元素上具有統(tǒng)一性。自然界物質形態(tài)在基本粒子上具有統(tǒng)一性。自然界各種物質形態(tài)之間在相互聯(lián)系、相互轉化方面具有統(tǒng)一性。實物和場之間也是相互聯(lián)系、相互轉化的。7第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日從多樣性和統(tǒng)一性引出的問題為什么簡單的、低層次的物質組合起來就可以形成復雜的、高層次的物質？為什么低層次物質僅僅是不同的排列組合或數(shù)量增減就能產(chǎn)生諸如放射現(xiàn)象、不可逆現(xiàn)象以及自我選擇、自我繁衍和自由意志等低層次物質所不具有的復雜而多樣的屬性呢？8第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日自然界的系統(tǒng)性9第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日系統(tǒng)觀念的引進——系統(tǒng)的含義所謂系統(tǒng)，是指由若干相互聯(lián)系、相互作用的要素組成的具有特定結構與特定功能的有機整體。它包括以下幾層涵義：系統(tǒng)是由（至少兩個）要素組成的，離開了要素就談不上系統(tǒng)，單個要素也不能構成系統(tǒng)；要素與要素之間不是胡亂的堆積，而是存在著相互依賴和相互作用的有機聯(lián)系；要素之間的有機聯(lián)系使它們形成了特定的整體結構并產(chǎn)生了適應環(huán)境的特定功能。10第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日系統(tǒng)是普遍存在的嗎？一個物質客體，如果它的組成部分之間沒有相互作用和相互聯(lián)系，那么這個客體就缺少整體性，即整體不具有原則上區(qū)別于其部分的新質，因而這個物質客體也就不是系統(tǒng)，而只是一個堆積物。但是，堆積物這種非系統(tǒng)方式只不過是系統(tǒng)方式的極限情況。因為內部完全沒有相互作用，整體等于部分之和的純粹堆積物實際上是不存在的。即使一堆瓦礫也可以看做一個系統(tǒng)，因為這堆瓦礫具有大量的壓力關系、引力關系。因此，自然界的一切物質客體都是系統(tǒng)，系統(tǒng)是自然界的普遍存在方式。11第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日自然界系統(tǒng)的類型從系統(tǒng)與環(huán)境的關系分：孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)、開放系統(tǒng)。從系統(tǒng)內發(fā)生的實際過程分：物理系統(tǒng)、化學系統(tǒng)、生命系統(tǒng)。從人對自然物的參與程度分：天然系統(tǒng)、人工系統(tǒng)、復合系統(tǒng)。從系統(tǒng)內各要素相互作用的特點分：線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)。從人對自然物的認識程度分：黑系統(tǒng)、白系統(tǒng)、灰系統(tǒng)。從系統(tǒng)所處的狀態(tài)分：處于平衡態(tài)的系統(tǒng)，處于近平衡態(tài)的系統(tǒng)，遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)。12第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日自然界系統(tǒng)的基本特征整體性：系統(tǒng)出現(xiàn)了它的組成部分所沒有的性質或者失去了組成部分所具有的性質。

相關性：系統(tǒng)的要素與要素之間、要素與整體之間存在著相互聯(lián)系和相互作用。有序性：系統(tǒng)的要素與要素之間的相互聯(lián)系和相互作用遵循著某種規(guī)則。自組織性：系統(tǒng)能夠自我發(fā)動，把分散的要素統(tǒng)一起來形成系統(tǒng)。13第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日自然界的層次性14第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日層次的概念及其特點所謂層次，是指一方面系統(tǒng)由一定的要素組成，這些要素是由更小一層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。層次性體現(xiàn)了物質系統(tǒng)的縱向聯(lián)系。層次結構具有兩個特點：其一，低層系統(tǒng)對高層系統(tǒng)具有構成性關系，高層次系統(tǒng)對低層次系統(tǒng)具有包含關系；其二，同一層次的系統(tǒng)之間存在相干關系。15第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日自然界系統(tǒng)的層次結構生命系統(tǒng)的層次結構

生物大分子—細胞—組織—器官—系統(tǒng)—生物個體—種群—生態(tài)系統(tǒng)—生物圈非生命系統(tǒng)的層次結構

夸克—基本粒子（強子）—原子核—原子—分子—地面上的宏觀物體—行星（包括衛(wèi)星）—恒星—星系—星系團—總星系16第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日系統(tǒng)層次存在的物理依據(jù)——結合能結合能是指物質粒子結合成一個系統(tǒng)時所放出的能量，它反映了系統(tǒng)內要素之間結合的緊密程度。一般來說，層次越深，尺度越小，結合能越大，越不容易分離，因而該層次的物質系統(tǒng)就越穩(wěn)定。這就是為什么感冒發(fā)燒的溫度足以殺死我們體內的細菌卻不能同時分解體內的高分子的原因，也是為什么破壞一個原子核只有在高能加速器中才能做到的原因。17第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日系統(tǒng)層次結構的必然性——概率選擇問題：為什么系統(tǒng)的演化不是從最簡單的元素直接聚合為復雜的系統(tǒng)，而是以層次為中間過度形式層層推進的呢？西蒙的論證：假定甲乙二人都用1000個零件組裝鐘表，每裝100個零部件有一次受干擾的機會使組裝工作必須從頭再來。甲分三層進行組裝，每個部件由10個零件組裝而成，他必須完成111個分部組件。而乙不分層，一氣呵成，直接將1000個零件組裝成鐘表。西蒙通過概率計算得到結果：乙完成一只鐘表所需的時間平均為甲的4000倍。西蒙由此得出結論：演化過程中產(chǎn)生多層次的物質系統(tǒng)的概率，比產(chǎn)生無層次結構的物質系統(tǒng)的概率大得多。于是，自然選擇就決定了現(xiàn)實世界是一個具有層次結構的物質系統(tǒng)。18第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日層次結構中的因果關系低層次系統(tǒng)作為高層次系統(tǒng)的基礎和根源，在高層次系統(tǒng)中引起一定的結果，構成上向因果關系。高層次系統(tǒng)對低層次系統(tǒng)的控制、支配作為原因，在低層次系統(tǒng)中引起某些結果，構成下向因果關系。

上向因果鏈的存在，提供了從低層次規(guī)律入手認識高層次現(xiàn)象的可能性；下向因果鏈的存在，則保證了從高層次規(guī)律出發(fā)對低層次現(xiàn)象進行解釋和預言的可能性。19第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日自然界的演化過程20第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日宇宙的起源和演化關于宇宙演化的假設有多種，其中影響最大的是大爆炸宇宙論。根據(jù)這一假設，目前人類觀測所及的宇宙起源于150億年前一個超高溫、超高密的“原始火球”大爆炸。這個原始火球可以看作宇宙的胚胎。其物質形態(tài)和爆炸原因目前尚不清楚。爆炸開始后，宇宙便不斷地膨脹，溫度由熱變冷，物質密度由密變疏，并先后經(jīng)歷了以下三個階段：基本粒子階段、輻射和核合階段、實物階段。21第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日地球的起源和演化地球是伴隨著太陽、太陽系的形成而形成的?，F(xiàn)代天文學認為，大約在50億年前，銀河系中曾經(jīng)有一個龐大的星云，由于自身引力而收縮，在收縮的過程中產(chǎn)生了漩渦。漩渦使星云碎裂成許多星云塊，其中有一塊就是形成太陽系的原始星云。它在收縮與旋轉過程中，中心部分形成太陽，外層部分形成地球在內的八大行星和若干小行星。根據(jù)放射性同位素測年法，測得地球的年齡大約是46億年。地球的演化經(jīng)歷了以下兩大歷史時期：天文時期和地質時期。天文時期，形成圈層；地質時期，發(fā)生地殼運動和海陸變遷。22第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日生命的起源現(xiàn)代生物學認為，生命的物質承擔者是以蛋白質和核酸為主體的多分子物質體系。生命起源于30多億年前，大致經(jīng)歷三個階段：一是簡單分子合成有機小分子，二是有機小分子合成生物大分子，三是生物大分子結合為原始生命。對于第三個階段的內在機制，人類目前還不完全清楚。但可以肯定的是，在原始地球條件下，當具有催化功能的原始蛋白質和能起模板作用的原始核酸一旦產(chǎn)生并結合為多分子體系時，真正的原始生命就隨之而誕生了。23第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日生物的進化原始生命出現(xiàn)后，最初形成的是非細胞形態(tài)，自己不會制造有機物，過著異氧和厭氧的生活。經(jīng)過長期演化，外膜的成分和結構逐漸復雜化，形成了細胞膜，可以有效地控制物質交換。與此同時，其內部也出現(xiàn)了具有不同功能的顆粒，如核質、核蛋白粒、氧化粒等，形成了原始細胞。原始細胞的形成，標志著生命演化進入了一個新的里程。大約17億年前，地球上出現(xiàn)了具了遺傳和代謝功能的真核細胞。這是生物進化從簡單到復雜的一個轉折點。大約5億年前，在真核細胞的基礎上，單細胞生物發(fā)展為多細胞生物，進而分化為植物和動物。大約1000萬年前，哺乳動物靈長類的一個分支——古猿，又分化出了人類。24第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日自然界的演化方式

——自然過程的自組織性25第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日自組織的概念所謂自組織，是指系統(tǒng)的有序結構不是通過外部指令的干預形成的，而是通過系統(tǒng)要素之間的相干性、協(xié)同性或某種默契自發(fā)形成的。自組織的實質在于相干協(xié)同。協(xié)同論的創(chuàng)始人哈肯認為，系統(tǒng)內部大量的微觀組織通過相互關聯(lián)的運動即協(xié)同作用創(chuàng)造了一只“看不見的手”，驅動著系統(tǒng)各個部分排列起來，以同樣的方式行事。哈肯把這只能安排一切的“看不見的手”，稱為“序參量”。26第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日隨處可見的自組織現(xiàn)象

花崗巖中的環(huán)狀結構

有規(guī)則的六角形雪花天空中的云形成魚鱗狀排列27第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日自組織的經(jīng)典案例之一——貝納德對流

1900年，法國學者貝納德做實驗時發(fā)現(xiàn)，如果在一個水平容器中放一薄層液體，上下各與一個很大的恒溫熱源板接觸，當兩板溫度相當時，液體處于平衡態(tài)。從底部均勻緩慢地加熱液體，由于溫度差的存在，熱量會不斷向上傳遞，開始熱能的傳遞是以傳導方式進行，液體沒有任何宏觀的運動。當加熱到一定程度，上下兩板的溫度差達到某一臨界點時，液體中熱量傳遞改變?yōu)橐詫α鞣绞竭M行，液體會突然出現(xiàn)規(guī)則的多邊形圖案。這一現(xiàn)象被稱作“貝納德對流”。貝納德對流產(chǎn)生的規(guī)則花紋28第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日自組織的經(jīng)典案例之二——激光

物理學家哈肯發(fā)現(xiàn)，當外界向激光器輸入的功率小于某個臨界值時，每個處于激光狀態(tài)的原子都獨立地無規(guī)則地發(fā)射光子，頻率和相都無序，整個光場系統(tǒng)處于無序狀態(tài)，激光器就像普通燈泡一樣。當輸入功率大于臨界值時，就產(chǎn)生了一種全新的現(xiàn)象，各原子不再獨立地互不相關地發(fā)射光波了，它們集體一致地行動，不同原子發(fā)出的光的頻率和相都變得十分有序，這就是激光。29第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日自組織形成的條件開放性、遠離平衡態(tài)（前提）

熱力學中的熵增原理是相對封閉系統(tǒng)和平衡態(tài)系統(tǒng)而言的。遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，通過與外界環(huán)境交換物質、能量和信息，可以從原來混亂無序的狀態(tài)，轉變?yōu)橐环N在時間、空間或功能上有序的狀態(tài)。非線性相互作用

（根據(jù)）

非線性相互作用是一種復雜的相互作用，它不是少量幾種作用的簡單疊加，而是多種作用耦合而成的整體效應。這種效應使得各要素按一定方式在大范圍內協(xié)調運動，從而導致系統(tǒng)新質的出現(xiàn)。隨機漲落（誘因）

由大量相互作用的子系統(tǒng)所構成的體系，總是經(jīng)常不斷地受到來自系統(tǒng)內部和外部環(huán)境的擾動，使得系統(tǒng)在某個時刻并不精確地處在統(tǒng)計平均值上，而是或多或少有些偏離，這種微小的偏離就是漲落。漲落經(jīng)過非線性的反饋機制而被放大，使系統(tǒng)躍遷到一個新的穩(wěn)定有序狀態(tài)。30第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日漸變還是突變？自然界存在多種多樣的演化形式，所有的演化形式都可以抽象為兩種最基本的演化形式：漸變與突變。自然界中，當某一具體自然物的演化表現(xiàn)為緩慢、逐漸和連續(xù)的形式，這種演化就稱為漸變。但是，當同一自然物的演化表現(xiàn)為短暫、變化強度迅速激烈、變化量大、呈現(xiàn)出間斷性特征時，這種演化就稱為突變?？v觀自然界的發(fā)展史可以看出，漸變是自然界演化的主要形式，它比突變表現(xiàn)得更普遍、更經(jīng)常。31第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日自然界的演化方向

——自然過程的不可逆性

32第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日可逆還是不可逆？如果系統(tǒng)從某一狀態(tài)轉變到另一狀態(tài)后，能夠再回復到原來的狀態(tài)，并且同時使系統(tǒng)的環(huán)境也回復到原來的狀態(tài)，這樣的過程就是可逆過程；反之，若系統(tǒng)及其環(huán)境一經(jīng)變化之后就不能回復，這樣的過程就是不可逆過程?，F(xiàn)代科學已經(jīng)證明，不可逆性是自然界事物的基本屬性，自然界不會在演化的過程中走回頭路，不會再看已經(jīng)破壞的模型，所謂可逆過程，只不過是在一定條件下，忽略了某些因素之后的理論抽象或理想狀態(tài)，現(xiàn)實世界是不存在的。33第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日“赫拉克利特河流”——時間之矢的含義

在牛頓第二定律的方程F=md2r／dt2中，時間以平方的形式出現(xiàn)，這意味著方向性被抹掉了，用－t置換t，方程的形式保持不變。因此，對牛頓力學而言，過去、現(xiàn)在和未來是沒有區(qū)別的。熱力學第一次將時間