第二章 系统自然观Word文件下载.docx
《第二章 系统自然观Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章 系统自然观Word文件下载.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
☐相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。
量子论和量子力学的建立
1900年12月14，普朗克提出能量子论，革命性
1905年，爱因斯坦光量子论
1913年，玻尔原子结构理论
1924年，德布罗意物质波概念，波粒二象性
1925年，海森堡矩阵力学
1926年，薛定谔波动力学，等价性证明
1927年，海森堡测不准原理，玻尔互补原理
量子力学
☐量子力学（QuantumMechanics）是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。
量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多现代技术中也得到了广泛的应用。
量子论和量子力学建立的意义
☐使自然科学进入到人类日常感性经验以外的微观世界。
它反映了人和自然相互作用的特征，表明人只有通过仪器装置才能观察和描述自然，人不是自然之外与之分离的观察者，人只有在同自然的相互作用中才能认识自然。
☐相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。
经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。
相对论解决了高速运动问题；
量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。
（2）生物学的革命性进展
☐微观方向：
分子生物学，DNA双螺旋结构（1953年）
☐宏观方向：
生态学
沃森和克里克:
DNA双螺旋结构
分子生物的大生命观。
克隆技术与生命设计，12生肖克隆一半。
（3）化学的发展
☐量子化学：
量子力学在化学中的应用
☐交叉学科：
生命化学，天体化学，地球化学，环境化学
☐化学促进了社会生活的改变。
（4）天文学的进展
☐四大发现：
类星体，脉冲星，星际有机分子，微波背景辐射（2006年诺贝尔物理学奖与此有关）
☐天体演化学：
太阳系的起源与演化
☐大爆炸宇宙学
☐20世纪60年代，天文学家发现了一种特殊的天体。
它们在普通的光学观测中只是一个类似恒星的光点；
而在分光观测中，它们的谱线具有很大的红移，又不像恒星。
（5）地质学革命
☐1915年，大陆漂移学
☐1960年代初，海底扩张说
☐1967-68年，板块构造理论
2、技术革命（新技术革命）
☐1945-1955年，原子能技术
☐1955-1965年，人造卫星（航天技术）
☐1965-1975年，基因重组技术
☐1975-1985年，PC
☐1985-1995年，软件技术
☐1995-网络技术
现代科技革命引出新的哲学问题
认识论方面问题
☐因果性问题（决定论与非决定论，机械决定论与统计决定论）；
☐微观领域中的主客体关系问题；
☐物质结构的可分性问题（夸克）；
☐时空的有限与无限问题；
☐宇宙的创生（于有或无）问题；
☐生命进化中的必然性与偶然性问题；
☐人工智能与思维。
3、系统科学
☐系统科学是把对象作为组织性、复杂性系统从整体上进行研究，以揭示其运动规律和实际处理这类系统的科学。
☐20世纪40年代兴起的控制论（维纳）、信息论（申农）、系统论（贝塔朗菲）,是系统科学研究的第一批成果。
☐以系统的观点看自然界，提出系统与要素、结构与功能等新范畴，揭示了自然界物质系统的整体性、层次性、动态性和开放性。
☐70年代前后,相继出现耗散结构论（普里高津）、协同论（哈肯）、突变论（托姆）、超循环论（埃根）等非平衡系统自组织理论,以及混沌理论、分形理论，这是系统科学发展的新进展。
二、系统自然观的基本内涵和思想
1、系统自然观的基本内涵
自然界不仅存在着，而且演化着；
自然系统不仅是确定的，而且会自发地产生不可预测的随机性；
自然界不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的；
2、系统自然观的基本思想
（1）从存在到演化（演化过程中时间的不可逆性）
（2）确定性与非确定性的统一（内在随机性）
（3）简单性与复杂性的统一
简单对象是线性的、解析的、平衡态的、规则的、有序的、确定的、可逆的、可作严格逻辑分析的对象。
现实世界的复杂系统则是非线性的、非解析的、非平衡态的、不规则的、无序的、不确定的、不可逆的、不可作严格逻辑分析的对象。
必须将追求简单性和探索复杂性结合起来。
（4）线性和非线性的统一
☐以往的科学基本上是以线性系统为研究对象的线性科学；
☐20世纪80年代的分形理论、混沌理论刮起“非线性风暴”，现实世界中的非线性问题不是少见的例外而是普遍现象，线性问题才是少见的例外。
三、系统自然观确立的重大意义
1、丰富和发展了辩证唯物主义自然观
首先，系统自然观揭示了自然界的系统性、整体性和层次性。
其次，系统自然观揭示了自然界物质系统的开放性、动态性和自组织性。
再次，系统自然观揭示了时间的不可逆性，提出了“内部时间”概念，论证了时空与物质运动的相互联系不可分割，丰富了辩证唯物主义的时空观。
最后，系统自然观揭示了自然界在循环中有序与无序、进化与退化的辩证统一，论证了辩证唯物主义关于运动、发展的大循环思想。
（混沌-有序-新的混沌-新的有序）
2、提供了系统思维方式
所谓系统思维方式，是把对象当作一个系统的整体加以思考的思维方式，它根据系统的性质、关系、结构，把对象的各个组成要素有机地组织起来构成模型，研究系统的功能和行为，具有整体性、综合性、定量化和精确化的特征。
系统思维方式的基本思路
☐第一，整体性综合研究。
分析和综合相统一。
而不是形而上学的单向性思维。
☐第二，研究功能与结构的关系，利用系统非加和性构造新系统，实现新功能。
☐第三，把系统看作是动态开放系统，考察系统与外部环境的关系。
☐第四，对具体系统的研究侧重于无序、不稳定、多样性、不平衡性、非线性等方面。
而不是简单还原。
第二节自然界的系统存在方式
☐一、系统：
自然界物质存在的普遍形式
☐二、自然界物质系统的基本特点
一、系统：
自然界物质存在的基本形式
1、何谓系统
物质联系的系统方式
自然界的物质性主要回答存在着的“是什么”的问题；
“如何存在”由系统方式和运动形式来回答。
物质普遍联系的基本形式——系统
何为系统?
?
~贝塔朗菲：
处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各组成部分（要素）的总体。
~钱学森：
由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体，且此系统本身又是它所从属更大系统的组成部分。
~恩格斯：
我们面对着的整个世界形成一个体系，即各种物体相互联系的总体。
贝塔朗菲与一般系统论
☐贝塔朗菲，美籍奥地利理论生物学家。
一般系统论的创始人。
1901年9月19日生于奥地利首都维也纳附近的阿茨格斯多夫，1972年6月12日卒于纽约州布法罗。
☐ 贝塔朗菲的重要贡献之一是建立关于生命组织的机体论，并由此发展成一般系统论。
1937年，提出了一般系统论的初步框架，1945年在《德国哲学周刊》18期上发表《关于一般系统论》的文章，但不久毁于战火，未被人们注意。
1947年在美国讲学时再次提出系统论思想。
1950年发表《物理学和生物学中的开放系统理论》。
1955年专著《一般系统论》，成为该领域的奠基性著作。
60～70年代受到人们重视。
1972年发表《一般系统论的历史和现状》，把一般系统论扩展到系统科学范畴。
系统是由相互联系、相互作用的元素（要素）按照一定的结构组成的有特定功能的有机整体。
要点：
1）任何系统必须有两个以上的要素构成。
2）系统诸要素之间、要素与系统整体之间的相互联系、作用，形成了特定的结构。
3）要素彼此之间联系性成为一个统一的有机整体。
4）系统作为一个整体对环境表现出特定的功能。
☐2、系统是自然界物质存在的普遍形式
☐从微观的基本粒子到宇宙的总星系，从无机界到有机界，从天然自然到人工自然，从人类社会到人类思维，宇宙间的一切事物，都无一不自成系统。
在非生物界如基本粒子、原子、分子、地上物体、地球、太阳系、银河系、星系团、超星系团、总星系等等；
在生物界如生物大分子、细胞、个体、群体、生态系统等等。
自然界系统的基本类型
☐根据物质能量交换：
孤立系统、封闭系统、开放系统
☐根据人的认识程度：
白系统；
灰系统；
黑系统
☐根据系统内部发生的运动形式：
物理系统、化学系统、生命系统、社会系统
根据人对自然物的参与程度：
天然系统：
指人类尚未改变其自然进程的系统。
人工系统：
指人工制造的各种系统。
复合系统：
指人的实践活动已部分参与其中的系统。
根据系统中各要素的相互关系：
线性系统：
指系统中各要素的关系是线性的系统。
非线性系统：
指系统中各要素的关系是非线性的系统。
根据系统所处的状态：
平衡态系统：
指内部无差异的系统。
近平衡态系统：
指内部有差异，但这种差异只能使线性相互作用表现出来的系统。
远离平衡态系统：
指内部差异明显，从而使非线性相互作用表现出来的系统。
二、自然界物质系统的基本特点
☐1、开放性
☐2、动态性
☐3、整体性
☐4、层次性
系统的种类
☐孤立系统：
系统与环境之间无物质、能量、信息交换。
☐封闭系统：
系统只与环境交换能量而不交换物质。
☐开放系统：
系统与环境交换物质、能量、信息。
整体性
——加和性（量的加和，无新质）
——非加和性（新质）
黑格尔：
“一只手，如果从身体上割下来，按照名称虽仍然可叫做手，但按照实质来说，已不是手了。
”
层次性
指系统与环境中其他系统相互作用，构成较高一级系统，而本身则成为较高一级系统的要素或子系统。
——按照质量和尺度的相对大小：
渺观、微观（小于10-15千克、10-6厘米）宏观、宇观、胀观（比宇观大1019个数量级，典型尺度为1016亿光年）
——按系统的组织性和复杂性大小：
简单系统（要素少、作用简单）
简单巨系统（要素多、作用简单、在同一等级）
复杂巨系统：
（要素多、同一等级的要素已经分成若干等级的子系统。
例如细胞-器官-系统-动物体）
特殊复杂巨系统：
社会系统
系统层次之间的关系
——高层次系统包含低层次系统，两者是整体与部分之间的关系。
——层次和系统复杂性有对应关系。
层次越高，复杂性越大（牛顿力学体系一个层次质点，热力学系统两个层次宏观微观，生物体包含多个层次）
——层次的分化和子系统的中心化。
（太阳）
——系统结合力与层次高地成反比。
有序性
指系统各部分在空间、时间上分布规则性、组织性和确定性。
动态性
现实系统都是开放系统，都有物流、能流、信息流不断地运动，都有一个运动、发展、变化的过程，从无序走向有序的进化过程。
三、自然界物质系统的结构和功能
☐1、自然系统的结构和功能
结构：
自然系统的诸要素之间相互联系的总合，表现为系统内部的组织方式、联系方式或秩序。
——空间结构：
材料的晶体结构、DNA双螺旋结构、建筑物的力学结构等
——时间结构：
地球自转公转、潮汐、电谐振、生物钟、心脏的脉动等
——时空结构：
树木的年轮等
功能：
系统与外界（环境）相互作用中表现出来的性质、能力和功效。
——静态功能：
——动态功能
功能以结构为基础和内在根据，功能是结构的外在表现；
功能对结构有反作用，功能的发挥会损耗结构。
系统功能性的表现：
同构同功、异构异功、同构多功。
2、无穷嵌套的立体网络结构的自然图景
☐自然界物质系统之间及其与子系统之间、子系统与子系统之间的纵向联系和横向联系，形成了无穷嵌套的立体网络结构的图景。
☐表现为无数相同等级的系统相互依存，构成水平网络，以及不同层级的系统在纵的方向上相互联系构成的垂直层次结构。
☐自然系统等级序列的最上层和最下层都不是封闭的，既无上限也无下限，自然界是无限的。
非生物界
☐微观：
夸克→基本粒子→原子核→原子→分子
☐宏观：
分子体系→凝聚态物质→行星（卫星）
☐宇观：
恒星→星系→星系团→总星系
生物界
☐生物大分子→细胞→组织→器官及其系统→个体→种群→生物群落→生态系统
自然界层次结构的基本特点
第一，低层系统对高层系统具有构成性关系。
第二，同一层次的系统之间存在着相干性关系。
自然界层次结构的稳定性
自然界物质系统各层次的稳定性，随着层次由低到高推进而递减。
层次间稳定性的不同，是由于层次内部结合的紧密程度不同。
自然界物质系统由低层到高层结合度的递减，是由层次结构的构成性关系决定的。
正是这种分层等级控制的稳定性，才使得层次结构成为各种可能结构形式中更加稳定的结构形式。
自然界层次结构的因果链
低层系统作为原因可以在高层系统中引起一定的结果，这称为上向因果链；
高层系统作为原因又会在低层系统中引起某些结果，这称为下向因果链。
高层系统是由低层系统发展而来的，低层系统是高层系统的基础。
因此，高层系统不仅不能违反低层系统的规律，而且通过低层系统的规律的研究，可以帮助我们去把握高层系统的规律。
当高层系统形成后，低层系统并没有消失，而是作为高层系统的一个要素而存在。
因此，高层系统的规律严格限制和影响了低层系统的规律，这就使我们可以从高层系统规律出发，对加入其中的低层系统的现象作出解释和预见。
第三节自然界的演化
☐一、自然演化的不可逆性和自然的进化
☐二、自然系统演化的基本形式
☐三、自然演化的自组织机制
☐四、自然界循环发展的无限性
一、自然界演化的不可逆性和自然的进化
1、演化和进化的概念
英语都是evolution，但实际上二者是有区别的。
演化是一种具有不可逆性的运动形态，而进化则是一种具有特定方向的演化。
所谓进化，是指事物的上升的、从无序到有序，从低序到高序的不可逆过程或复杂性和多样性的增长。
演化比进化具有更宽泛的含义，演化除了进化之意义以外，还包括了事物的下降的，从有序到无序的过程。
自然界的进化历史观
☐自然界演化的科学图景（看《宇宙与人》）
☐宇宙的起源
☐生命的起源
☐人类的起源
☐智力的起源
宇宙的起源
☐宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。
☐宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。
☐《淮南子·
原道训》注：
“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地。
”即宇宙是天地万物的总称。
☐千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。
直到今天,科学家们才确信,宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。
☐在爆炸发生之前,宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起,并浓缩成很小的体积,温度极高,密度极大,后发生了大爆炸。
☐大爆炸使物质四散出击,宇宙空间不断膨胀,温度也相应下降,后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命,都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。
然而,大爆炸而产生宇宙的理论尚不能确切地解释,“在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在着什么东西？
“大爆炸理论”是伽莫夫于1946年创建的。
从宇宙大爆炸到人类诞生
宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的
宇宙的实际年龄为137亿年
星系与恒星的形成
☐根据弥漫说的理论，恒星形成可分为两个阶段，开始时先由极其稀薄的物质凝聚成星云并进一步收缩成原恒星，然后原恒星才发展成为恒星。
☐右下图:
宇宙边缘的恒星状球体
恒星世界:
从年青、炽热到死亡
新星和超新星
《宋会要》记载：
1054年6月，在金牛座的天关星东部出现一颗星，白昼都可以看到，光芒四射，呈红色，可见期23天。
到了十八世纪有人通过望远镜，观测到天关星附近有一块蟹状星云。
1921年发现这块星云不断向外膨胀。
1941年，荷兰天文学家奥尔特证实，这块星云是我国宋代记录到的超新星爆炸所形成的。
蟹状星云:
1054年超新星爆炸遗迹
银河系的诞生
太阳系的形成（星云假说）
太阳、行星与地球
地球形成与地壳运动
☐大陆漂移说
☐海底扩张说
☐板块构造说
地球的演化
天文时期地球的演化（地球诞生到原始地壳形成）
A、内部物质分异
B、原始地球在溶融分化的分异过程中，在内部毛出大量的气体，这些气体由于地心引力的作用聚集并包围在地球表面。
地质时期的演化
A、地壳运动。
（10亿年发生一次）
B、气候冷暖交替。
（5000年前比现在高出2—3度，3000—2800年前第一次冷期；
1900—1500年前第二次冷期）
生命的起源和演化
现代生物学认为生命的物质承当者是以蛋白质、核酸为主体的多分子体系。
因此生命的起源问题就是这种多分子体系的形成问题。
恩格斯说：
“生命的起源必然是通过化学的途径实现的。
从无机物到有机小分子
生物小分子到生物大分子
从生物大分子到原始生命的诞生
☐大猩猩基因组与人类基因组相差3.33%，黑猩猩基因与人类基因相差2.33%，倭猩猩（也叫侏儒黑猩猩）与人类基因相差1.33%。
南方古猿下地生活，逐渐发生变化，适应陆地生活，如该臂行为四肢走路，再由后肢支撑身体，建立起直立行走的姿态；
变素食为杂食；
从简单的感应发展较为复杂的感觉和知觉。
☐从猿到人有决定性的几个环节，有生物性的，有社会性的，其中劳动是关键。
劳动需要专门的器官，使四肢分化，并确立了直立行走姿态，劳动的集约化需要交流，促使语言生产，大脑发展，逐渐学会思维，学会制造工具。
所以说，劳动创造了人。
可逆与不可逆
可逆与不可逆是自然界演化过程中两种相互对应的状态。
可逆——如果系统从某一状态变到另一状态后，能够在回复到原来的状态，并且同时使系统的环境也回复到原状的过程。
不可逆——若系统及其环境一经变化后，不能回复，这种过程就是不可逆。
可逆不可逆实际上反映了自然演化的状态对时间的关系，直接涉及时间箭头问题。
时间之矢
人们关于时间的观念经历了几次重大的变革。
20世纪前，人们相信经典物理学的时间概念，时间与物质运动的性质没有内在联系，时间仅仅是从外部描述运动的任何一个几何参量，与参考系无关。
时间是对称的，它没有方向，没有箭头，可正可负，未来与过去等价。
20世纪初，相对论彻底否定了牛顿的绝对时空观。
爱因斯坦指出，时间和空间都是相对的，时间和空间并非与物质及其运动无关，时间和空间随着物体运动速度的变化而变化，时间不再是系统演化的外部因素，而是内部因素。
但是爱因斯坦仍然认为时间是可逆的，它没有方向，没有箭头。
20世纪70年代，英国宇宙学家霍金试图统一引力理论和量子力学时，引入了“虚时间”的概念，虚时间是时间乘以负一的平方根。
时间类似于一个空间维，而不仅仅是实时间。
“虚时间和空间的方向是不能互相分辨的。
一人能在虚时间中向前走，也能转身向后走，这意味着在虚时间向前和向后的方向上不能有重要的不同。
但是人们看到的时间，向前向后有很大不同，自然界中的实际发生的过程都是不可逆的，有时间箭头。
不可逆过程是无条件的、绝对的。
至少有以下几种时间之矢
热力学、统计物理学的时间之矢：
熵增加的方向。
生物学的时间之矢：
生物进化的时间方向。
由低级向高级、由简单到复杂的进化图景。
这是一个复杂性不断增加的不可逆过程，与热力学演化的时间箭头相反。
电磁学的时间之矢：
以电磁振荡所产生的电磁波的传播方向来表征时间的单方向性。
实验表明，点源辐射球状电磁波只能向无限远传去，称为“推迟波”。
量子力学的时间之矢：
原子的自发辐射的时间方向。
原子内部，电子从高激发能级自发跃迁到低能级，而不能自发从低能级跃迁到高能级，除非从外界吸收能量，这是不可逆过程。
宇宙学的时间之矢：
即自大爆炸起的宇宙不断膨胀的方向。
反映宇宙起源与大爆炸的宇宙学是有时间方向性的。
美国天文学家累泽尔等人认为，以宇宙膨胀的的运动方向作为时间箭头应该是更普遍的。
序、有序和无序
序——时空结构的规则性，这种规则性既可以用来描述自然系统的状态，也可以反映自然系统的演化过程。
有序——意味着系统内部的某种组织性与确定性（要素的空间排列的规则，变化过程明显的周期性，系统行为表现出一定的关联性）
无序——系统内部各组成要素之间混乱而无规则的组合及其变化的无规则性。
任何系统都是有序与无序的不同程度的辩证统一。
这种不同程度，构成了系统的一定秩序，即有序度。
有序度的表示：
a）熵：
在热力学系统中，系统的熵S与相对应的微观状态出现的概率W成正比。
S=KlnWK为波尔兹曼常数，W为系统状态出现的概率，而混乱程度越高，出现的概率越大。
因此，熵越大，系统越无序，熵越小，系统结构越有序。
b）信息：
信息论中，信息被看作是减少或消除不确定性的东西。
信息量越大，结构越有序，反之，越无序。
I=—logPI为信息量，P为概率
C）序参量：
源于相变理论和协同学。
序参量可以是可测量的物理量，也可以是抽象量。
可以是标量和矢量。
序参量的存在表示系统所达到的有序化程度，随着控制参量趋于临界值，序参量会突然出现迅速放大，标志系统已达到某有序的时空结构和功能行为，系统一出于某种特定模式中。
☐对称和破缺
☐与自然系统有序化相联系、相对应的是对称性破缺。
☐所谓对称，是指在一定变换下的不变性。
对应着无序状态。
☐破缺是指在一定变换下所表现的可变性，或对称性的降低，对应有序状态。
☐自然界的
升级会员 