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1、第二章 系统自然观,1、从物质分类看物质形态的多样性,自然界,非生命界,宇观星系,宏观团聚体,微观元素,渺观基本粒子,生命界,微生物20多万种,植物30多万种,动物150多万种,2、从物质聚集态看物质形态的多样性,自然界的多态,固态内部有较强的内聚力，有一定体积和形态。,液态内部有较强的内聚力，有一定体积，但无一定形态。,气态没有一定体积，亦无一定形态。,等离子态气体的原子外层电子脱离原子（气温在几千度时），于是中性的原子变成了带阳电的离子。宇宙中有99.9%以上的物质处于等离子态。,超密态当物质在超高压（几百万个大气压）物质密度极大，千吨或亿吨/CM3,真空态物质形态的一种，是负能态的粒子海
2、。,反物质态由反粒子构成的物质,二、自然界物质的统一性,第一，宇宙中的物质在化学元素上是统一的。,第二，宇宙万物在基本粒子层次上是统一的。,第三，实物和场两种基本物质形态是统一的。,第二节 自然界物质的系统性,一、系统的概念和特点,1、系统的概念 我国著名系统工程科学家钱学森认为：所谓系统是由相互影响、相互作用、相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体。,2、系统的特点 一是多元性 二是关联性 三是整体性,注意的四个因素系统要素构成的基元性系统的结构性系统的环境性系统的行为和功能,二、系统理论相关观点,（一）物质系统的整体与部分的关系,一是加和性关系：整体与部分之间存在某种加和关系或守恒关系
3、。如果可以量度的话，整体等于部分之和。,二是非加和关系：由于处于系统整体中的各组成部分之间存在相互作用，一方面使处于系统联系中的组成部分的性质不同于自然状态不的性质，使组成的部分原有的某些性质被屏蔽起来；另一方面使得系统整体产生出它的组分和组分总和所没有的、甚至对了组成部分来说是毫无意义的新性质。总之，由部分构成系统整体时，有新质突现，整体不等于部分之和。,系统整体性效应是系统的组成部分之间相互作用、相互激发而产生的整体性效应。,苏东坡诗云：“若言琴上有琴声，放在匣中何不呜？若言声在指头止，何不于君指上听？”系统整体性效应可表示为这样三种情形：整体大于部分之和 WPi 整体小于部分之和 WPi
4、 整体等于部分之和 WPi,十八世纪末，法国远征军在拿破仑（Napoleon Bonaparte）的率领下入侵处于马木留克军事封建集团的统治之下埃及。7月，在尼罗河西大金字塔群附近的开阔地上，法军和马木留克骑兵展开了历史上著名的金字塔战役。马木留克骑兵损失惨重，法军大获全胜。战后，拿破仑把这两只军队进行对比，留下著名的论断：“两个马木留克骑兵绝对能打赢三个法国骑兵，一百个法国骑兵能抗衡一百个马木留克骑兵，三百个法国骑兵大都能战胜三百个马木留克骑兵，一千个法国骑兵总能打败一千五百个马木留克骑兵。”由此可见，马木留克骑兵给一代名将拿破仑留下的印象是非常深刻的。,马木留克（Mamluk，又名马木留克
5、、马木路克），就是中世纪埃及各族奴隶出身的军人。阿尤布王朝组建了一支由奴隶构成的马木路克近卫军。马木路克骑兵骁勇善战，1250年与第七次东征的十字军争夺开罗，取得了一次非常辉煌的胜利。随着中央集权的削弱，他们逐渐成为强大的军事统治集团，阿尤布王朝解体后他们夺取了开罗的政权，建立了通称为马木路克的的苏丹国。马木留克王朝的历代苏丹多数是军人通过军事政变夺取政权，对战争有着近乎本能的迷恋，国家不断陷入战争之中，通过与十字军、蒙古人、土耳其人进行的一系列战争，马木路克很快强大起来，版图一度扩张到整个阿拉伯东方。马木留克王朝统治埃及达三百年之久（1250年1517年）最终于1517年在与奥斯曼土耳其帝国
6、的战争中失败，从此灭亡。,(二)物质系统的结构与功能的关系,系统的组成、结构、环境、功能是完整规定和描述系统的四个基本因素。,现在的问题是系统的组成、结构、环境三因素中谁对系统的功能具有决定性的意义？,答案是系统的内部结构对于决定系统功能，具有更为直接的意义！是决定系统功能的内在依据！,三、系统自然观的基本思想及重大意义,参见P47-51,1、有人说，“下岗是国企改革的必由之路”，“跳糟是市场经济的必然产物”，此命题是否真？试用系统理论的相关观点分析之。,思考题：,2、你怎样看系统整体的非加和性？,第三节 自然界物质系统的层次性,一、层次结构的含义及基本特征,自然系统的层次性主要是自然界物质系
7、统的纵向联系，是物质系统之间纵向的或垂直的有序关系。还包括两个方面：一是系统在某一等级上又可以分为多侧面的层次，即同一级的复杂系统，可从横向上分为若干互相联系、互相制约又各自相互独立的平行层次；二是一个高度复杂的自然系统以纵向层次和横向层次为基础，还可以构成纵横交错的立体网络系统，形成交叉层次。,依据物质之间相互作用的性质和描述这种作用的不同来划分。,20世纪60年代初，日本物理学家坂田昌一就提出按物质系统所具有的不同规律划分物质层次的思想。将物质层次分为：,非生命界：超玄夸克基本粒子原子核原子分子物体天体星云，,生命界：生物大分子胶体粒子细胞器官组织个体种群群落生物圈层次。,二、物质系统层次
8、结构的相关观点,1、特定物质层次结构与特定能量状态相适应的观点 任何一个特定物质结构能量只能存在于一定的阈值之内，当能量超过一定阈值时，就会发生从一个层次突变到另一个层次。或一定的物质层次与一是能量阈值相适应。了解这一观点有着重要意义。目前有人宣称，在生物体这个物质层次上会有一种新相互作用，可以产生巨大能量，是不正确的。,2、特定物质层次系统的尺度与结合能成反比的观点,对于一个具有多层次结构的物质系统供给能量，随着能量的增加物质系统的层次一层层地消失，同时物质系统的尺度变小，即物质系统变得越来越小。这就是说尺度愈小，结合能就愈大，结合的键力愈强。,一定物质层次的存在适应于一定的能量状态。物质系
9、统的结合能越大，就越稳定。当外加能量在数值上大于这个结合能时，系统就解体，而显露其内部的组成部分，即更深一个层次的物质单元。在继续加能的过程中，物质系统就被一层层地剥开。相反地，在不断减能的过程中，物质外壳则一层层地套上去，而且后套上去的层次把先前的层次包含在内，作为自己的结构成分和从属要素。这种物质系统分解和复合中的能态突变，更深刻地反映了物质结构的层次性。,在人类发明蒸汽机以前，人们所利用的风力、畜力、水力等基本主是宏观物体这个层次的能量。人们发明推广了蒸汽机后，标志着人们掌握着分子这个层次能量；电机和高压输电技术的发明使人类掌握了外层电子这个层次的能量；可控核反应的发明使人类掌握了原子核
10、这个层次的能量。于是人类就有了工场手工业时代、蒸汽机时代、电气电子时代、核时代。,3、物质形态多样性与丰度成反比观点,就是说，物质层次愈高，结构功能愈多样化，而这一层次物质系统在宇宙中丰度愈少。比如，原子这一层次系统的种类只有107种，可分子这一层次系统的种类多达700多万种，而有机体种类曾在地球上存在的就有10亿种之多。,4、高层次物质系统与低层次物质系统相互关系的观点,(1)低层对高层上向因果关系 由于高层次系统由低层次系统经相干作用而产生，以低层次系统为其基础和载体，故低层次系统协同对高层次系统起到根源作用、原因作用、影响作用，这叫物质层次结构上向因果关系。于是科学解释中就有了还原解释模
11、型。即用低层次系统的规律，加上这些规律在高层次系统中起作用的条件来解释说明高层次系统现象的逻辑模型。,(2)高层次系统的相对独立性,高层次系统一旦产生后，就会形成新的实体，引起新的属性，有新质的突现。,（3）高层次系统对低层次系统的下向因 果关系,高层次系统对低层次系统的支配和限制作用，被称之为下向因果关系。,现场讨论题：就“物质系统层次结构的相关观点”给合你所想到的实例谈淡你的体会。,第四节 自然系统的演化发展,18世纪中叶以来，随着近代自然科学的发展，关于自然界历史演化的观点开始形成。自然界的历史性被科学发现逐步揭示出来，成为自然界历史观产生的科学前提。最早把历史观引入对自然界研究的是康德
12、。1755年康德出版了宇宙发展史概论，提出了关于太阳系起源的星云假说，这是天文学史上第一个比较完整的天体演化学说。,继康德之后，赖尔把历史演化的观点带进了地质学，提出了地质渐变论。这个学说使人确信，“不仅整个地球，而且地球今天地表面以及生活于其上的植物和动物，也都有时间上的历史。”,1859年达尔文出版了物种的起源，从科学的角度提出了生物进化论，揭示了整个生物界的历史性。,恩格斯在自然辩证法等著作中系统总结了当时自然科学的新成就，从不同角度分析了这些成就对自然界历史观确立的重大意义。,一、自然界演化的图景,自然界的演化主要是由宇宙的起源、地球的起源、生命的起源和人类的起源构成的。合称为“四大起
13、源”。,1、宇宙的起源和演化,按照现代宇宙学中最有影响的大爆炸宇宙论和暴胀宇宙论，宇宙起源于大约150亿年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸之初，是一个高温、高密度的“奇点”。,2、地球的起源和演化,3、生命的起源和进化,观看科教片宇宙与人,视频资料:亿年的演化,点击图片启动视频,二、自然界演化的方向性,1、序、无序、有序、混沌和负熵流,“序”是描述客观事物或系统内部组成元素之间相互关系的范畴,“无序”是指客观事物或系统内各组成部分之间联系、组合或运动的无规则性和不确定性。,“有序”指的是客观事物或系统内各组成部分之间联系、组合或运动，在空间、时间、结构功能等方面显示出一定的顺序、规则，具有某种确定性
14、、方向性和规律性。,系统的对称性破缺状态对应着有序，自然系统的有序化是对称性破缺的结果，正是由于对称性破缺才使系统向有序化、组织化、和复杂化演化。,“混沌”是系统演化的一个方向；混沌并不等于混乱，也不是无序，是确定系统内在随机性，是看起来杂乱无章的有序状态，或说是装扮成无序的有序。是无序与有序的统一。,“熵”是系统科学的序的标度，熵是无规律程度的测量，因此负熵流或信息量是系统有序性或组织性的测度。,2、进化与退化的对立统一进化和退化是自然界中广泛存在的两种趋势和过程。进化与退化之间具有统一性。这种统一性主要表现在以下几方面：（1）进化与退化互相包含。以进化为主的过程往往内在地包含着退化。同样，
15、以退化为主的过程也常常内在地包含着进化。生物进化具有不可逆性，灭绝的物种不可能重新出现，但是生物进化之中也有退化，一些结构和功能的进化，同时也就意味着另一些结构和功能的退化；返祖现象的出现，也是生物进化之中的退化。,（2）进化与退化同生共存。进化与退化常常是同时存在和同步发生的。它们往往是一个过程的两个方面。理由在于，一个系统有序程度的提高，需在以负熵流的引入为代价，这相当于系统把熵增转移到了环境之中。或者说系统的进化是以环境中某些方面的退化为代价的。（3）进化与退化相互转化。进化过程在一定条件下会转入退化，而退化过程在一定条件下也可以转入进化。,三、自然界演化的自组织机制,1、自组织 自组织
16、是指没有外界的特定干预，在开放的背景下，外部提供一定的条件下，系统的要素按彼此的相干性、协同性或某种默契，自发地形成一定结构和功能的过程和现象。自组织一般包含着三类过程：由非组织到组织的过程演化；由组织程度低到组织程度高的过程演化；在相同组织层次上由简单到复杂的过程演化。,2、自组织理论：系统进化的机制和条件,自组织理论是一个学科群，其中最具代表性的有耗散结构理论、协同学、超循环理论、突变论。各种自组织理论尽管背景和对象有很大的差别，但都试图解决一个普遍性的问题，即从无序走向有序的条件和机制问题，并取得了不同程度的成功。这些理论从不同侧面揭示了在远离平衡条件下的开放系统形成有序结构的可能性。,
17、（1）开放是系统进化的先决条件,普利高津指出，一个系统的熵变（dS）是由两方面的因素引起的，一个因素是系统与环境相互作用中交换的熵（dSe），称外熵流，另一个因素是系统内部自发产生的熵（dSi），称熵变。系统总熵为：dS=dSe+dSi,对于孤立系统，由于系统和环境之间没有物质和能量的交换，也就不可能产生熵的交换，（dSe）0，所以，dS=dSi 0，这就是克劳修斯提出的热力学第二定律。,0,0,0,dse,这里：dsi0,对于开放系统，由于系统和环境之间存在物质和能量的交换，这就会同时产生熵的交换，使得dSe 0,系统的总熵变就会出现以下四种情况：,当dSe 0时，dS0，系统加速走向无序化
18、,当dSe 0，且dSedSi，则dS0，系统仍沿着熵增方向走向无序化。,当dSe 0，且dSedSi，则dS0，系统宏观结构不变。,当dSe 0，且dSedSi，则dS0，系统将沿着熵减方向走向有序化。,（2）非平衡是有序之源 在近乎平衡态的情况下，即使系统开放，它也会返回平衡态的。“非平衡是有序之源”，只有非平衡态才能导致有序，形成稳定的有序结构。怎样实现系统的非平衡态呢？通过来自外部环境的物质流、能量流以及伴随而来的信息流的输入，将系统驱使到远离平衡状态。,因此，开放系统就是借助于外部环境输入的负熵以克服、抵消系统内部的增熵。是自然系统自组织得以形成的首要条件,（3）非线性机制是系统进化
19、的内在根据,非线性相互作用是自然演化的内在机制，是具有相干性的耦合，这种耦合使各要素间产生相干效应与协调动作，从而导致系统内要素独立性的丧失和新质的出现。那么，系统在怎样的情况下才能实现非线性相互作用呢？这就要取决于系统是否远离平衡态。在平衡态和近平衡态，系统内部的相互作用是一种线性相互作用，而在远离平衡态时，系统内部的相互作用转变为一种非线性的机制，在这种相互作用下，系统表现出对各种扰动的高度敏感性，一个轻微的扰动都可能被系统响应、放大而波及整个系统，从而迫使系统向着某个新的结构演化。系统的非线性作用产生的相干效应、分岔效应、临界效应是系统存在和进化的重要前提和基本机制。,（4）正反馈放大作
20、用机制,自然系统进入自组织，必须存在一个反馈通道，它可以通过正反馈的方式放大系统的某种波动或起伏，从而产生新质，加速系统的自组织。,比如在城市发展历史上，如果由于某种原因而使某个地方经济发展水平稍高一些，那么它将提供更多的就业机会，从而吸引更多的人口到这里集中，而人口集中又对消费品提出更多的要求，这又促使经济水平的提高，这被称为“城市倍增器”，是一种正反馈机制。,（5）随机涨落是系统进化的直接诱因,涨落指的是在某时刻对系统状态统计平均值的偏离。如流体中液滴的随机运动，原子的受激跃迁和自发辐射，反应物浓度的随机波动等。涨落本来是很微小的，不可能对系统状态产生什么大的影响。但当系统处在远离平衡态，
21、系统内部各构成要素或子系统之间存在着非线性相互作用时，那么，某种微小的涨落将通过正反馈机制而被放大，使系统跃迁到一个新的稳定有序状态。正因如此，普利高津说：“在非平衡过程中涨落决定全局的结果”，“通过涨落达到有序”。,系统自然观的基本思想及确立的重大意义,相对论、量子力学、分子生物学、以及系统论、控制论、信息论、耗散结构理论、协同学、突变论、超循环理论、分形理论和混沌理论系统科学等现代自然科学理论是系统自然观的自然科学基础。系统自然观最深层、最基本的思想，在于它揭示了自然系统不仅存在着而且演化着；揭示了自然系统演化的自组织、自我运动、自我创造的辩证发展自然图景；自然系统不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的，阐述了自然界是确定性与随机性、简单性与复杂性、线性与非线性的辩证统一的思想。,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2、提供了系统思维方式,本章思考题,1、有人说：一个物质系统的进化是以其环境的退化为代价的，此命题是否真，试说明之。2、从自组织理论看，市场经济是有序经济还是混沌经济？你是怎样看的。,
