第二章-現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與系統(tǒng)自然觀1課件

第二章

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與

系統(tǒng)自然觀

第一節(jié)現(xiàn)代自然科學(xué)的發(fā)展與系統(tǒng)自然觀的形成第二節(jié)自然界的系統(tǒng)存在方式第三節(jié)自然界的演化第二章現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與

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一、系統(tǒng)自然觀產(chǎn)生的現(xiàn)代自然科學(xué)基礎(chǔ)二.系統(tǒng)自然觀的基本思想三.系統(tǒng)自然觀確立的意義

一、系統(tǒng)自然觀產(chǎn)生的現(xiàn)代自然科學(xué)基礎(chǔ)21、現(xiàn)代自然科學(xué)革命概況2、相對論、量子力學(xué)和分子生物學(xué)3.系統(tǒng)科學(xué)1、現(xiàn)代自然科學(xué)革命概況319末20初的物理學(xué)發(fā)現(xiàn).危機.革命三大發(fā)現(xiàn)：電子、X射線、放射性兩朵烏云：邁克爾遜－莫雷實驗（以太漂移實驗）黑體輻射實驗(紫外災(zāi)難)相對論、量子力學(xué):19末20初的物理學(xué)發(fā)現(xiàn).危機.革命4物理學(xué)革命推動下其它基礎(chǔ)科學(xué)理論革命：基因的發(fā)現(xiàn)，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立;大陸漂移學(xué)說和現(xiàn)代板塊構(gòu)造理論;新的宇宙演化觀念的建立；系統(tǒng)科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展;物理學(xué)革命推動下5科學(xué)革命推動下的技術(shù)革命：原子能技術(shù);空間技術(shù);生物技術(shù);電子計算機和微電子技術(shù);信息技術(shù);科學(xué)革命推動下的技術(shù)革命：6(1)相對論起源：邁克爾遜-莫雷實驗(以太漂移實驗)，

否定了長期以來人們相信的以太和以太風(fēng)的存在，舊物理學(xué)的根基發(fā)生了動搖？(1)相對論71905年，愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論從提出相對性原理和光速不變原理出發(fā)，得出：同時性是相對性，尺縮效應(yīng)，時間延緩效應(yīng)，質(zhì)能關(guān)系式等重要結(jié)論。1905年，愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論81916年，愛因斯坦將相對性原理推廣到非慣性系問題，并由此創(chuàng)立廣義相對論。提出廣義協(xié)變原理、等效原理，并由此推斷出：在引力場中，時鐘變慢，光線出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，光譜性紅向移動等，后來都一一證實。1916年，愛因斯坦將相對性原理推廣到非慣性系問題，并由此創(chuàng)9相對論的自然觀意義：時空不能離開物質(zhì)而獨立存在，時空的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)取決于物質(zhì)的分布，揚棄了牛頓的絕對時空觀，揭示了空間時間與物質(zhì)之間存在的辯證關(guān)系相對論的自然觀意義：10(2)量子力學(xué)起源：黑體輻射實驗，又稱紫外災(zāi)難。1896年，維恩提出黑體能量輻射公式即維恩公式，此公式幾乎完全適合短波，但不適合長波；(2)量子力學(xué)111900年，瑞利從經(jīng)典理論導(dǎo)出輻射公式，1905年經(jīng)金斯修正，稱為瑞利－金斯公式，它適合可見光譜的長波部分，不適合短波部分.這個公式在短波的紫外光譜區(qū)遇到困難，史稱“紫外災(zāi)難”，反映了整個經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)遇到嚴重挑戰(zhàn)。1900年，瑞利從經(jīng)典理論導(dǎo)出輻射公式，1905年經(jīng)金斯修正12普朗克使用內(nèi)插法將兩公式聯(lián)系起來，提出著名的普朗克公式，與實驗?zāi)茌^好的符合。提出能量子假說.爾后，經(jīng)愛因斯坦.波爾.德布羅意.海森保與薛定諤.繼而由波恩，最后由狄拉克創(chuàng)立概念完整的理論體系，量子理論及量子力學(xué)就此誕生。普朗克使用內(nèi)插法將兩公式聯(lián)系起來，提出著名的普朗克公式，與實13量子力學(xué)的創(chuàng)立:揭示了不同于宏觀物體規(guī)律的微觀物體規(guī)律，闡明了連續(xù)性與間斷性、波動性與粒子性的對立統(tǒng)一，量子力學(xué)的創(chuàng)立:14顯示出微觀世界的概率隨機性，從根本上改變了精確確定的連續(xù)軌跡的經(jīng)典概念，經(jīng)典理論中的嚴格決定論，被因果律僅作為一種近似的和統(tǒng)計趨勢的概念所代替。顯示出微觀世界的概率隨機性，從根本上改變了精確確定的連續(xù)軌跡15（3）分子生物學(xué)1953年美.沃森和英.克里克DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，人類對生物學(xué)的研究推進到生物大分子層次，闡明了生物界結(jié)構(gòu)和生命活動的高度一致性，揭示了生物的遺傳機制。（3）分子生物學(xué)16DNA重組技術(shù)，克隆技術(shù)，標志著人類已進入可以控制遺傳和生命過程的新階段，人類不僅可以改造自然，而且可以改變?nèi)祟愖陨?，改變?nèi)说淖匀槐拘?。DNA重組技術(shù)，克隆技術(shù)，1740年代興起的控制論、信息論和系統(tǒng)論，60年代以后出現(xiàn)的耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論、突變論、超循環(huán)論等自組織理論，80年代以來日漸活躍的混沌學(xué)，分形理論等這些學(xué)科具有某種“家族相似性”，人們從不同角度稱它們?yōu)橄到y(tǒng)科學(xué)、非線性科學(xué)或復(fù)雜性科學(xué).40年代興起的控制論、信息論和系統(tǒng)論，18(1)控制論.信息論.系統(tǒng)論:將研究對象視為系統(tǒng)整體，揭示出自然界物質(zhì)系統(tǒng)的整體性，層次性，動態(tài)性和開放性特征，勾畫出一幅自然界物質(zhì)系統(tǒng)存在的畫面。揭示整體大于部分之和.將近代的機械還原論科學(xué)向現(xiàn)代的系統(tǒng)整體論科學(xué)邁進了一大步.(1)控制論.信息論.系統(tǒng)論:19(2)耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論.突變論.超循環(huán)論等自組織理論進一步勾畫了自然系統(tǒng)從存在到演化的有序過程，展示了自然界變化過程的不可逆性及演化的方向性，揭示出自然界演化的自組織機制。向現(xiàn)代的系統(tǒng)整體論科學(xué)邁進了一大步(2)耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論.突變論.超循環(huán)論等自組織理論20(3)混沌學(xué):揭示了近代科學(xué)從未想到的，隱藏在混亂現(xiàn)象深處的驚人秩序，即宏觀上無序而微觀上高度有序的“混沌”現(xiàn)象。(3)混沌學(xué):21混沌概念的演化：古代理解的混沌：是描述宇宙天地開辟之前物質(zhì)未分化的一種渾然一體的自然狀態(tài)。近代科學(xué)中的混沌：是指系統(tǒng)內(nèi)部的溫度、壓強、濃度、化學(xué)勢等各處相等，分子運動的混亂度極高的無序的運動狀態(tài)。現(xiàn)代混沌學(xué)中的混沌：是指確定性系統(tǒng)中的復(fù)雜隨機行為，是一種宏觀上無序，微觀上高度有序的現(xiàn)象?；煦绺拍畹难莼?2氣象學(xué)家洛侖茲首先發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。20世紀50年代洛侖茲通過對氣象系統(tǒng)的研究，提出了地球大氣變化模型－洛侖茲方程，根據(jù)大氣流動的實際情況，洛侖茲對方程進行計算，得到了科學(xué)史上第一個混沌解，一條奇怪的軌線：氣象學(xué)家洛侖茲首先發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。23由3維空間里條繞著兩個吸引中心無限多次盤旋的雙螺旋曲線組成，形似蝴蝶的兩個翅膀。由3維空間里條繞著兩個吸引中心無限多次盤旋的雙螺旋曲線組成，24右半葉轉(zhuǎn)幾圈再到左半葉轉(zhuǎn)幾圈，又回到右半葉轉(zhuǎn)圈，不斷反復(fù)。每次在左葉或右葉轉(zhuǎn)圈的次數(shù)完全隨機，很難確定長時間后某一刻究竟在左邊還是在右邊轉(zhuǎn)圈。第二章-現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與系統(tǒng)自然觀1課件25這條軌線我們稱為洛侖茲奇怪吸引子，所謂吸引子就是系統(tǒng)運動的歸宿，洛侖茲奇怪吸引子意味著系統(tǒng)運動的軌跡是一條宏觀上沒有明顯規(guī)則或次序的混沌運動。左邊的幾圈可能代表晴空萬里，忽然跳到右邊又代表雷電交加，天氣的長期預(yù)報是難以精確的。這條軌線我們稱為洛侖茲奇怪吸引子，所謂吸引子就是系統(tǒng)運動的歸26在這個動力系統(tǒng)中，初始條件下微小的變化即能帶動整個系統(tǒng)的長期的巨大的連鎖反應(yīng)。

最常見的闡述是“一個蝴蝶在巴西輕拍翅膀，可以導(dǎo)致一個月后德克薩斯州的一場龍卷風(fēng)。”

這就是洛侖茲描繪的“蝴蝶效應(yīng)”。在這個動力系統(tǒng)中，27混沌學(xué)注重系統(tǒng)整體性的“隨機”方向，研究確定性動力系統(tǒng)顯示出的偶然性、無規(guī)則性、和不可預(yù)測性，揭示了確定性動力系統(tǒng)由于非線性作用自發(fā)產(chǎn)生混沌現(xiàn)象、隨機行為的機制。隨機性存在于確定性之中，確定性自己規(guī)定自己為不確定性，從根本上消除了拉普拉斯決定論的幻想?；煦鐚W(xué)注重系統(tǒng)整體性的“隨機”方向，28現(xiàn)代自然科學(xué)為我們描繪了一幅自然界物質(zhì)系統(tǒng)演化發(fā)展的圖景，認為“‘系統(tǒng)’是自然界的總模型”。自然系統(tǒng)不僅存在著，而且演化著；自然系統(tǒng)不僅有確定性，而且會自發(fā)的產(chǎn)生不可預(yù)測的隨機性；自然系統(tǒng)不僅是簡單的、線性的，而且是復(fù)雜的、非線性的?，F(xiàn)代自然科學(xué)為我們描繪了一幅自然界物質(zhì)系統(tǒng)演化發(fā)展的圖景，認291.從存在的自然到演化的自然2.從機械決定論到內(nèi)在隨機性3.從自然的簡單性到自然的復(fù)雜性4.從線性的自然到非線性的自然1.從存在的自然到演化的自然30近代初期的科學(xué)導(dǎo)致機械論自然觀。認為萬物的運動變化只是宇宙中基本構(gòu)成要素的分離和結(jié)合，基本否定了宇宙萬物真正意義上的“生成”的思想，否定了世界的歷史性和創(chuàng)造性時間只是描述運動的幾何參量而已.自然界只是存在著，談不上演化。近代初期的科學(xué)導(dǎo)致機械論自然觀。31自組織理論揭示出自然界演化發(fā)展的歷史過程，時間從一個外部參量轉(zhuǎn)化為自然演化的內(nèi)在尺度，自然科學(xué)從存在的科學(xué)走向演化的科學(xué)，自然界不僅存在著，而且演化著。自組織理論揭示出自然界演化發(fā)展的歷史過程，32牛頓力學(xué)的成功使決定論的觀點盛行，以致拉普拉斯決定論的形成。他認為：一切事物的運動變化都存在著確定的，必然的聯(lián)系，都服從某種規(guī)律，人們只要找到了那個無所不包的宇宙方程，并且知道宇宙的一切初始條件和邊界條件，宇宙的過去和未來都會呈現(xiàn)在眼前，一切都是確定的、必然的。牛頓力學(xué)的成功使決定論的觀點盛行，以致拉普拉斯決定論的形成。33混沌理論表明，確定的非線性系統(tǒng)，即使不受外界影響，初始條件是確定的，系統(tǒng)自身也會自發(fā)的產(chǎn)生不可預(yù)測的隨機性。這種情況是普遍存在的，牛頓力學(xué)所描述的完全決定論的情況，在現(xiàn)實中是鳳毛麟角的特例，從根本上動搖了機械決定論的理論基礎(chǔ)。自然界是確定性與隨機性的辯證統(tǒng)一?；煦缋碚摫砻?，確定的非線性系統(tǒng)，即使不受外界影響，初始條件是34近代科學(xué)研究的對象主要是線性的，規(guī)則的、確定的、平衡態(tài)的、可逆的，可作嚴格邏輯分析的對象形成了一種觀念：物理世界是簡單的習(xí)慣于用分析還原的方法，把復(fù)雜事物化解為簡單事物來處理。近代科學(xué)研究的對象主要是線性的，規(guī)則的、確定的、平衡態(tài)的、可35自組織理論、混沌理論等研究非線性的、非平衡態(tài)的、不可逆的、不可作嚴格邏輯分析的對象，且存在著要素之間的反饋、自催化、自組織等相互聯(lián)系和協(xié)同作用，揭示出自然界復(fù)雜性的一面自組織理論、混沌理論等研究非線性的、非平衡態(tài)的、不可逆的、不36近代科學(xué)實質(zhì)上是以線性系統(tǒng)為研究對象的線性科學(xué)，如沒有摩擦的擺、沒有粘滯的理想流體等。在自然觀上形成了一種線性觀：線性系統(tǒng)是自然界的普遍現(xiàn)象，只有線性現(xiàn)象才有普遍規(guī)律，可以提出一般原理和普適的方法。非線性系統(tǒng)是例外，沒有普遍規(guī)律，不能建立一般原理和普適方法。近代科學(xué)實質(zhì)上是以線性系統(tǒng)為研究對象的線性科學(xué)，如沒有摩擦的37混沌理論的研究使人們意識到：現(xiàn)實世界中的非線性問題是普遍現(xiàn)象，線性問題才是少見的例外。自然界是線性與非線性的辨證統(tǒng)一?；煦缋碚摰难芯渴谷藗円庾R到：381、豐富和發(fā)展了辯證唯物主義自然觀自然界的系統(tǒng)性、整體性和層次性；自然界物質(zhì)系統(tǒng)的開放性、動態(tài)性和自組織性；時間的不可逆性；自然界在循環(huán)發(fā)展中有序與無序、進化與退化的辯證統(tǒng)一；1、豐富和發(fā)展了辯證唯物主義自然觀392、確立了系統(tǒng)的思維方式把對象當(dāng)作一個系統(tǒng)整體來考察根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)、關(guān)系和結(jié)構(gòu)，把對象的各個組成要素有機的組織起來構(gòu)成模型，研究系統(tǒng)的功能和行為。具有整體性.綜合性.定量化和精確化2、確立了系統(tǒng)的思維方式40一、系統(tǒng)：自然界物質(zhì)存在的普遍形式二、自然界物質(zhì)系統(tǒng)的基本特點三、自然界物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次一、系統(tǒng)：自然界物質(zhì)存在的普遍形式411.系統(tǒng)的涵義2.系統(tǒng)是自然界物質(zhì)存在的普遍形式1.系統(tǒng)的涵義42綜合L.貝塔郎菲與錢學(xué)森的觀點，“系統(tǒng)”可以表述為：“由若干相互聯(lián)系，相互作用的要素組成的具有特定結(jié)構(gòu)與功能的有機整體”。包含4個要義：第二章-現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與系統(tǒng)自然觀1課件43系統(tǒng)至少有兩個以上的要素――系統(tǒng)內(nèi)部具有可分析的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)具有特定的結(jié)構(gòu)。它是系統(tǒng)形成整體功能的基礎(chǔ)。系統(tǒng)在整體水平上表現(xiàn)出特定的功能。系統(tǒng)離不開環(huán)境。環(huán)境是指與系統(tǒng)發(fā)生相互作用而不屬于這個系統(tǒng)的所有因素的總和，是系統(tǒng)存在的外部條件。系統(tǒng)至少有兩個以上的要素――系統(tǒng)內(nèi)部具有可分析的結(jié)構(gòu)。44自然界所有物質(zhì)客體自成系統(tǒng)。自然界物質(zhì)客體互成系統(tǒng)。整個自然界是一個大系統(tǒng)。第二章-現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與系統(tǒng)自然觀1課件451.開放性2.動態(tài)性3.整體性4.層次性1.開放性46根據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境的之間是否存在物質(zhì).能量和信息的交換，孤立系統(tǒng)：與環(huán)境無物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)。封閉系統(tǒng)：與環(huán)境僅有能量交換，不進行物質(zhì)交換的系統(tǒng)。開放系統(tǒng)：與環(huán)境有物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)，是自然界中最普遍、最典型的系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境的之間是否存在物質(zhì).能量和信息的交換，47實際上，任何系統(tǒng)都與外界有一定程度的交換，程度不同而已；正是由于這種與外界的交換，使得開放系統(tǒng)具有以下內(nèi)部特征：新陳代謝；等結(jié)果性；實際上，任何系統(tǒng)都與外界有一定程度的交換，程度不同而已；48封閉系統(tǒng)中，系統(tǒng)的初始條件決定系統(tǒng)的結(jié)果，開放系統(tǒng)中，不同的初始條件，由于與外界的交換可以殊途同歸，達到相同的結(jié)果。封閉系統(tǒng)中，系統(tǒng)的初始條件決定系統(tǒng)的結(jié)果，49系統(tǒng)與環(huán)境的交換，使系統(tǒng)發(fā)生著新陳代謝，從而經(jīng)歷著孕育，產(chǎn)生，發(fā)展，成熟直至衰退，滅亡的過程。自然界系統(tǒng)的這種運動，變化，發(fā)展的過程就是它的動態(tài)性系統(tǒng)與環(huán)境的交換，使系統(tǒng)發(fā)生著新陳代謝，從而經(jīng)歷著孕育，產(chǎn)生50既存在從有序向無序，最終達到熱平衡態(tài)的退化方向，如熱力學(xué)第二定律所言也存在依據(jù)非平衡態(tài)自組織理論，在一定條件下從無序向有序，形成新的有序結(jié)構(gòu)的進化方向，進化與退化共同存在，相互包含，既對立又統(tǒng)一。既存在從有序向無序，最終達到熱平衡態(tài)的退化方向，如熱力學(xué)第二51所謂整體性是指構(gòu)成系統(tǒng)的各個要素通過相互聯(lián)系相互作用，按一定方式形成了具有特定功能的有機整體。整體性是自然界物質(zhì)系統(tǒng)最基本，最顯著的特性。所謂整體性是指構(gòu)成系統(tǒng)的各個要素通過相互聯(lián)系相互作用，按一定52一方面，該整體的功能既不同于各要素的功能，也不等于各要素性質(zhì)功能的簡單相加，是在整體水平上表現(xiàn)出的特有的性質(zhì)，功能和規(guī)律，大于各組成部分之和。系統(tǒng)的整體性常常被表述為“整體大于各部分之和”。一方面，該整體的功能既不同于各要素的功能，也不等于各要素性質(zhì)53另一方面，整體中各組成要素的功能與它們在孤立狀態(tài)下的功能也不同。由于系統(tǒng)的整體性，組成系統(tǒng)的各要素不再是完全獨立于系統(tǒng)的要素，而是在整體制約下相對獨立的部分。如水分子另一方面，整體中各組成要素的功能與它們在孤立狀態(tài)下的功能也不54一方面，系統(tǒng)由若干要素構(gòu)成，而這些要素又由更低層次的要素構(gòu)成；另一方面，系統(tǒng)自身又是更高層次系統(tǒng)的組成要素；這種逐級構(gòu)成的“等級秩序”就是系統(tǒng)的層次性，它揭示了自然系統(tǒng)之間縱向或垂直方向的有序關(guān)系。一方面，系統(tǒng)由若干要素構(gòu)成，而這些要素又由更低層次的要素構(gòu)成55層次性是自然系統(tǒng)聯(lián)系與發(fā)展的連續(xù)性的中斷，體現(xiàn)了自然系統(tǒng)的普遍差異性，這些差異形成的“關(guān)節(jié)點”與系統(tǒng)的等級層次正好相吻合，“關(guān)節(jié)點”正是系統(tǒng)性質(zhì)出現(xiàn)質(zhì)的飛躍的點。層次性是自然界的基本屬性。自然系統(tǒng)是整體與部分，連續(xù)性與間斷性的統(tǒng)一。層次性是自然系統(tǒng)聯(lián)系與發(fā)展的連續(xù)性的中斷，體現(xiàn)了自然系統(tǒng)的普561.自然系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能2.無限嵌套構(gòu)成的立體網(wǎng)狀自然圖景1.自然系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能57結(jié)構(gòu)是指自然系統(tǒng)的各組成要素之間相互聯(lián)系，相互作用的總和,表現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)部的組織形式，聯(lián)系方式或秩序。功能是指系統(tǒng)在與外部環(huán)境相互聯(lián)系，相互作用中表現(xiàn)出的性質(zhì)，能力和作用。結(jié)構(gòu)是指自然系統(tǒng)的各組成要素之間58結(jié)構(gòu)是功能的內(nèi)在依據(jù)，功能是結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有相對穩(wěn)定性，系統(tǒng)功能由于系統(tǒng)開放程度和開放方式的不同表現(xiàn)不同的可能性。結(jié)構(gòu)是功能的內(nèi)在依據(jù)，功能是結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)；59相互作用是一切自然系統(tǒng)形成特定結(jié)構(gòu)的本質(zhì)和根源，自然系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由引力相互作用，電磁相互作用，弱相互作用和強相互作用組成，不同相互作用在不同質(zhì)量大小的物體結(jié)構(gòu)形成中分別發(fā)生了重要作用。相互作用是一切自然系統(tǒng)形成特定結(jié)構(gòu)的本質(zhì)和根源，60自然系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有兩種基本形式第一，系統(tǒng)各要素在空間上相互聯(lián)系與組合的秩序，即同時態(tài)的相對穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。第二，系統(tǒng)隨時間的延續(xù)而呈現(xiàn)的流動性.變動性秩序，即歷時態(tài)的演化發(fā)展的時間結(jié)構(gòu)。自然系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有兩種基本形式61自然系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)形式與時間結(jié)構(gòu)形式往往是交織在一起的。任何事物都同時具有廣延性和持續(xù)性.系統(tǒng)各要素不僅在空間上呈現(xiàn)出聯(lián)系和組合的秩序，隨著時間的延伸也會經(jīng)歷演化發(fā)展的秩序。自然系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)形式與時間結(jié)構(gòu)形式往往是交織在一起的。62系統(tǒng)與組成它的子系統(tǒng)之間形成的不同等級的縱向?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)之間，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間形成的同一等級的橫向?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)，在上述兩者基礎(chǔ)上構(gòu)成的交叉層次結(jié)構(gòu)，共同形成了一幅無窮嵌套的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的自然圖景系統(tǒng)與組成它的子系統(tǒng)之間形成的不同等級的縱向?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)，63自然系統(tǒng)可能由向下幾個層次的某一層次的子系統(tǒng)或幾個層次的子系統(tǒng)組成；要素在組成較高層次的系統(tǒng)時，可能形成兩個以上的不同層次的高層次系統(tǒng)，從而使層次之間的聯(lián)系出現(xiàn)分支現(xiàn)象；自然系統(tǒng)可能由向下幾個層次的某一層次的子系統(tǒng)或幾個層次的子系64經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量StudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe寫在最后經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量寫65ThankYou在別人的演說中思考，在自己的故事里成長ThinkingInOtherPeople‘SSpeeches，GrowingUpInYourOwnStory講師：XXXXXXXX年XX月XX日ThankYou66第二章

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與

系統(tǒng)自然觀

第一節(jié)現(xiàn)代自然科學(xué)的發(fā)展與系統(tǒng)自然觀的形成第二節(jié)自然界的系統(tǒng)存在方式第三節(jié)自然界的演化第二章現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與

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一、系統(tǒng)自然觀產(chǎn)生的現(xiàn)代自然科學(xué)基礎(chǔ)二.系統(tǒng)自然觀的基本思想三.系統(tǒng)自然觀確立的意義

一、系統(tǒng)自然觀產(chǎn)生的現(xiàn)代自然科學(xué)基礎(chǔ)681、現(xiàn)代自然科學(xué)革命概況2、相對論、量子力學(xué)和分子生物學(xué)3.系統(tǒng)科學(xué)1、現(xiàn)代自然科學(xué)革命概況6919末20初的物理學(xué)發(fā)現(xiàn).危機.革命三大發(fā)現(xiàn)：電子、X射線、放射性兩朵烏云：邁克爾遜－莫雷實驗（以太漂移實驗）黑體輻射實驗(紫外災(zāi)難)相對論、量子力學(xué):19末20初的物理學(xué)發(fā)現(xiàn).危機.革命70物理學(xué)革命推動下其它基礎(chǔ)科學(xué)理論革命：基因的發(fā)現(xiàn)，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立;大陸漂移學(xué)說和現(xiàn)代板塊構(gòu)造理論;新的宇宙演化觀念的建立；系統(tǒng)科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展;物理學(xué)革命推動下71科學(xué)革命推動下的技術(shù)革命：原子能技術(shù);空間技術(shù);生物技術(shù);電子計算機和微電子技術(shù);信息技術(shù);科學(xué)革命推動下的技術(shù)革命：72(1)相對論起源：邁克爾遜-莫雷實驗(以太漂移實驗)，

否定了長期以來人們相信的以太和以太風(fēng)的存在，舊物理學(xué)的根基發(fā)生了動搖？(1)相對論731905年，愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論從提出相對性原理和光速不變原理出發(fā)，得出：同時性是相對性，尺縮效應(yīng)，時間延緩效應(yīng)，質(zhì)能關(guān)系式等重要結(jié)論。1905年，愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論741916年，愛因斯坦將相對性原理推廣到非慣性系問題，并由此創(chuàng)立廣義相對論。提出廣義協(xié)變原理、等效原理，并由此推斷出：在引力場中，時鐘變慢，光線出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，光譜性紅向移動等，后來都一一證實。1916年，愛因斯坦將相對性原理推廣到非慣性系問題，并由此創(chuàng)75相對論的自然觀意義：時空不能離開物質(zhì)而獨立存在，時空的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)取決于物質(zhì)的分布，揚棄了牛頓的絕對時空觀，揭示了空間時間與物質(zhì)之間存在的辯證關(guān)系相對論的自然觀意義：76(2)量子力學(xué)起源：黑體輻射實驗，又稱紫外災(zāi)難。1896年，維恩提出黑體能量輻射公式即維恩公式，此公式幾乎完全適合短波，但不適合長波；(2)量子力學(xué)771900年，瑞利從經(jīng)典理論導(dǎo)出輻射公式，1905年經(jīng)金斯修正，稱為瑞利－金斯公式，它適合可見光譜的長波部分，不適合短波部分.這個公式在短波的紫外光譜區(qū)遇到困難，史稱“紫外災(zāi)難”，反映了整個經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)遇到嚴重挑戰(zhàn)。1900年，瑞利從經(jīng)典理論導(dǎo)出輻射公式，1905年經(jīng)金斯修正78普朗克使用內(nèi)插法將兩公式聯(lián)系起來，提出著名的普朗克公式，與實驗?zāi)茌^好的符合。提出能量子假說.爾后，經(jīng)愛因斯坦.波爾.德布羅意.海森保與薛定諤.繼而由波恩，最后由狄拉克創(chuàng)立概念完整的理論體系，量子理論及量子力學(xué)就此誕生。普朗克使用內(nèi)插法將兩公式聯(lián)系起來，提出著名的普朗克公式，與實79量子力學(xué)的創(chuàng)立:揭示了不同于宏觀物體規(guī)律的微觀物體規(guī)律，闡明了連續(xù)性與間斷性、波動性與粒子性的對立統(tǒng)一，量子力學(xué)的創(chuàng)立:80顯示出微觀世界的概率隨機性，從根本上改變了精確確定的連續(xù)軌跡的經(jīng)典概念，經(jīng)典理論中的嚴格決定論，被因果律僅作為一種近似的和統(tǒng)計趨勢的概念所代替。顯示出微觀世界的概率隨機性，從根本上改變了精確確定的連續(xù)軌跡81（3）分子生物學(xué)1953年美.沃森和英.克里克DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，人類對生物學(xué)的研究推進到生物大分子層次，闡明了生物界結(jié)構(gòu)和生命活動的高度一致性，揭示了生物的遺傳機制。（3）分子生物學(xué)82DNA重組技術(shù)，克隆技術(shù)，標志著人類已進入可以控制遺傳和生命過程的新階段，人類不僅可以改造自然，而且可以改變?nèi)祟愖陨?，改變?nèi)说淖匀槐拘?。DNA重組技術(shù)，克隆技術(shù)，8340年代興起的控制論、信息論和系統(tǒng)論，60年代以后出現(xiàn)的耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論、突變論、超循環(huán)論等自組織理論，80年代以來日漸活躍的混沌學(xué)，分形理論等這些學(xué)科具有某種“家族相似性”，人們從不同角度稱它們?yōu)橄到y(tǒng)科學(xué)、非線性科學(xué)或復(fù)雜性科學(xué).40年代興起的控制論、信息論和系統(tǒng)論，84(1)控制論.信息論.系統(tǒng)論:將研究對象視為系統(tǒng)整體，揭示出自然界物質(zhì)系統(tǒng)的整體性，層次性，動態(tài)性和開放性特征，勾畫出一幅自然界物質(zhì)系統(tǒng)存在的畫面。揭示整體大于部分之和.將近代的機械還原論科學(xué)向現(xiàn)代的系統(tǒng)整體論科學(xué)邁進了一大步.(1)控制論.信息論.系統(tǒng)論:85(2)耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論.突變論.超循環(huán)論等自組織理論進一步勾畫了自然系統(tǒng)從存在到演化的有序過程，展示了自然界變化過程的不可逆性及演化的方向性，揭示出自然界演化的自組織機制。向現(xiàn)代的系統(tǒng)整體論科學(xué)邁進了一大步(2)耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論.突變論.超循環(huán)論等自組織理論86(3)混沌學(xué):揭示了近代科學(xué)從未想到的，隱藏在混亂現(xiàn)象深處的驚人秩序，即宏觀上無序而微觀上高度有序的“混沌”現(xiàn)象。(3)混沌學(xué):87混沌概念的演化：古代理解的混沌：是描述宇宙天地開辟之前物質(zhì)未分化的一種渾然一體的自然狀態(tài)。近代科學(xué)中的混沌：是指系統(tǒng)內(nèi)部的溫度、壓強、濃度、化學(xué)勢等各處相等，分子運動的混亂度極高的無序的運動狀態(tài)?，F(xiàn)代混沌學(xué)中的混沌：是指確定性系統(tǒng)中的復(fù)雜隨機行為，是一種宏觀上無序，微觀上高度有序的現(xiàn)象?；煦绺拍畹难莼?8氣象學(xué)家洛侖茲首先發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。20世紀50年代洛侖茲通過對氣象系統(tǒng)的研究，提出了地球大氣變化模型－洛侖茲方程，根據(jù)大氣流動的實際情況，洛侖茲對方程進行計算，得到了科學(xué)史上第一個混沌解，一條奇怪的軌線：氣象學(xué)家洛侖茲首先發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。89由3維空間里條繞著兩個吸引中心無限多次盤旋的雙螺旋曲線組成，形似蝴蝶的兩個翅膀。由3維空間里條繞著兩個吸引中心無限多次盤旋的雙螺旋曲線組成，90右半葉轉(zhuǎn)幾圈再到左半葉轉(zhuǎn)幾圈，又回到右半葉轉(zhuǎn)圈，不斷反復(fù)。每次在左葉或右葉轉(zhuǎn)圈的次數(shù)完全隨機，很難確定長時間后某一刻究竟在左邊還是在右邊轉(zhuǎn)圈。第二章-現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與系統(tǒng)自然觀1課件91這條軌線我們稱為洛侖茲奇怪吸引子，所謂吸引子就是系統(tǒng)運動的歸宿，洛侖茲奇怪吸引子意味著系統(tǒng)運動的軌跡是一條宏觀上沒有明顯規(guī)則或次序的混沌運動。左邊的幾圈可能代表晴空萬里，忽然跳到右邊又代表雷電交加，天氣的長期預(yù)報是難以精確的。這條軌線我們稱為洛侖茲奇怪吸引子，所謂吸引子就是系統(tǒng)運動的歸92在這個動力系統(tǒng)中，初始條件下微小的變化即能帶動整個系統(tǒng)的長期的巨大的連鎖反應(yīng)。

最常見的闡述是“一個蝴蝶在巴西輕拍翅膀，可以導(dǎo)致一個月后德克薩斯州的一場龍卷風(fēng)?！?/p>

這就是洛侖茲描繪的“蝴蝶效應(yīng)”。在這個動力系統(tǒng)中，93混沌學(xué)注重系統(tǒng)整體性的“隨機”方向，研究確定性動力系統(tǒng)顯示出的偶然性、無規(guī)則性、和不可預(yù)測性，揭示了確定性動力系統(tǒng)由于非線性作用自發(fā)產(chǎn)生混沌現(xiàn)象、隨機行為的機制。隨機性存在于確定性之中，確定性自己規(guī)定自己為不確定性，從根本上消除了拉普拉斯決定論的幻想?；煦鐚W(xué)注重系統(tǒng)整體性的“隨機”方向，94現(xiàn)代自然科學(xué)為我們描繪了一幅自然界物質(zhì)系統(tǒng)演化發(fā)展的圖景，認為“‘系統(tǒng)’是自然界的總模型”。自然系統(tǒng)不僅存在著，而且演化著；自然系統(tǒng)不僅有確定性，而且會自發(fā)的產(chǎn)生不可預(yù)測的隨機性；自然系統(tǒng)不僅是簡單的、線性的，而且是復(fù)雜的、非線性的?，F(xiàn)代自然科學(xué)為我們描繪了一幅自然界物質(zhì)系統(tǒng)演化發(fā)展的圖景，認951.從存在的自然到演化的自然2.從機械決定論到內(nèi)在隨機性3.從自然的簡單性到自然的復(fù)雜性4.從線性的自然到非線性的自然1.從存在的自然到演化的自然96近代初期的科學(xué)導(dǎo)致機械論自然觀。認為萬物的運動變化只是宇宙中基本構(gòu)成要素的分離和結(jié)合，基本否定了宇宙萬物真正意義上的“生成”的思想，否定了世界的歷史性和創(chuàng)造性時間只是描述運動的幾何參量而已.自然界只是存在著，談不上演化。近代初期的科學(xué)導(dǎo)致機械論自然觀。97自組織理論揭示出自然界演化發(fā)展的歷史過程，時間從一個外部參量轉(zhuǎn)化為自然演化的內(nèi)在尺度，自然科學(xué)從存在的科學(xué)走向演化的科學(xué)，自然界不僅存在著，而且演化著。自組織理論揭示出自然界演化發(fā)展的歷史過程，98牛頓力學(xué)的成功使決定論的觀點盛行，以致拉普拉斯決定論的形成。他認為：一切事物的運動變化都存在著確定的，必然的聯(lián)系，都服從某種規(guī)律，人們只要找到了那個無所不包的宇宙方程，并且知道宇宙的一切初始條件和邊界條件，宇宙的過去和未來都會呈現(xiàn)在眼前，一切都是確定的、必然的。牛頓力學(xué)的成功使決定論的觀點盛行，以致拉普拉斯決定論的形成。99混沌理論表明，確定的非線性系統(tǒng)，即使不受外界影響，初始條件是確定的，系統(tǒng)自身也會自發(fā)的產(chǎn)生不可預(yù)測的隨機性。這種情況是普遍存在的，牛頓力學(xué)所描述的完全決定論的情況，在現(xiàn)實中是鳳毛麟角的特例，從根本上動搖了機械決定論的理論基礎(chǔ)。自然界是確定性與隨機性的辯證統(tǒng)一?；煦缋碚摫砻?，確定的非線性系統(tǒng)，即使不受外界影響，初始條件是100近代科學(xué)研究的對象主要是線性的，規(guī)則的、確定的、平衡態(tài)的、可逆的，可作嚴格邏輯分析的對象形成了一種觀念：物理世界是簡單的習(xí)慣于用分析還原的方法，把復(fù)雜事物化解為簡單事物來處理。近代科學(xué)研究的對象主要是線性的，規(guī)則的、確定的、平衡態(tài)的、可101自組織理論、混沌理論等研究非線性的、非平衡態(tài)的、不可逆的、不可作嚴格邏輯分析的對象，且存在著要素之間的反饋、自催化、自組織等相互聯(lián)系和協(xié)同作用，揭示出自然界復(fù)雜性的一面自組織理論、混沌理論等研究非線性的、非平衡態(tài)的、不可逆的、不102近代科學(xué)實質(zhì)上是以線性系統(tǒng)為研究對象的線性科學(xué)，如沒有摩擦的擺、沒有粘滯的理想流體等。在自然觀上形成了一種線性觀：線性系統(tǒng)是自然界的普遍現(xiàn)象，只有線性現(xiàn)象才有普遍規(guī)律，可以提出一般原理和普適的方法。非線性系統(tǒng)是例外，沒有普遍規(guī)律，不能建立一般原理和普適方法。近代科學(xué)實質(zhì)上是以線性系統(tǒng)為研究對象的線性科學(xué)，如沒有摩擦的103混沌理論的研究使人們意識到：現(xiàn)實世界中的非線性問題是普遍現(xiàn)象，線性問題才是少見的例外。自然界是線性與非線性的辨證統(tǒng)一。混沌理論的研究使人們意識到：1041、豐富和發(fā)展了辯證唯物主義自然觀自然界的系統(tǒng)性、整體性和層次性；自然界物質(zhì)系統(tǒng)的開放性、動態(tài)性和自組織性；時間的不可逆性；自然界在循環(huán)發(fā)展中有序與無序、進化與退化的辯證統(tǒng)一；1、豐富和發(fā)展了辯證唯物主義自然觀1052、確立了系統(tǒng)的思維方式把對象當(dāng)作一個系統(tǒng)整體來考察根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)、關(guān)系和結(jié)構(gòu)，把對象的各個組成要素有機的組織起來構(gòu)成模型，研究系統(tǒng)的功能和行為。具有整體性.綜合性.定量化和精確化2、確立了系統(tǒng)的思維方式106一、系統(tǒng)：自然界物質(zhì)存在的普遍形式二、自然界物質(zhì)系統(tǒng)的基本特點三、自然界物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次一、系統(tǒng)：自然界物質(zhì)存在的普遍形式1071.系統(tǒng)的涵義2.系統(tǒng)是自然界物質(zhì)存在的普遍形式1.系統(tǒng)的涵義108綜合L.貝塔郎菲與錢學(xué)森的觀點，“系統(tǒng)”可以表述為：“由若干相互聯(lián)系，相互作用的要素組成的具有特定結(jié)構(gòu)與功能的有機整體”。包含4個要義：第二章-現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與系統(tǒng)自然觀1課件109系統(tǒng)至少有兩個以上的要素――系統(tǒng)內(nèi)部具有可分析的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)具有特定的結(jié)構(gòu)。它是系統(tǒng)形成整體功能的基礎(chǔ)。系統(tǒng)在整體水平上表現(xiàn)出特定的功能。系統(tǒng)離不開環(huán)境。環(huán)境是指與系統(tǒng)發(fā)生相互作用而不屬于這個系統(tǒng)的所有因素的總和，是系統(tǒng)存在的外部條件。系統(tǒng)至少有兩個以上的要素――系統(tǒng)內(nèi)部具有可分析的結(jié)構(gòu)。110自然界所有物質(zhì)客體自成系統(tǒng)。自然界物質(zhì)客體互成系統(tǒng)。整個自然界是一個大系統(tǒng)。第二章-現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與系統(tǒng)自然觀1課件1111.開放性2.動態(tài)性3.整體性4.層次性1.開放性112根據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境的之間是否存在物質(zhì).能量和信息的交換，孤立系統(tǒng)：與環(huán)境無物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)。封閉系統(tǒng)：與環(huán)境僅有能量交換，不進行物質(zhì)交換的系統(tǒng)。開放系統(tǒng)：與環(huán)境有物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)，是自然界中最普遍、最典型的系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境的之間是否存在物質(zhì).能量和信息的交換，113實際上，任何系統(tǒng)都與外界有一定程度的交換，程度不同而已；正是由于這種與外界的交換，使得開放系統(tǒng)具有以下內(nèi)部特征：新陳代謝；等結(jié)果性；實際上，任何系統(tǒng)都與外界有一定程度的交換，程度不同而已；114封閉系統(tǒng)中，系統(tǒng)的初始條件決定系統(tǒng)的結(jié)果，開放系統(tǒng)中，不同的初始條件，由于與外界的交換可以殊途同歸，達到相同的結(jié)果。封閉系統(tǒng)中，系統(tǒng)的初始條件決定系統(tǒng)的結(jié)果，115系統(tǒng)與環(huán)境的交換，使系統(tǒng)發(fā)生著新陳代謝，從而經(jīng)歷著孕育，產(chǎn)生，發(fā)展，成熟直至衰退，滅亡的過程。自然界系統(tǒng)的這種運動，變化，發(fā)展的過程就是它的動態(tài)性系統(tǒng)與環(huán)境的交換，使系統(tǒng)發(fā)生著新陳代謝，從而經(jīng)歷著孕育，產(chǎn)生116既存在從有序向無序，最終達到熱平衡態(tài)的退化方向，如熱力學(xué)第二定律所言也存在依據(jù)非平衡態(tài)自組織理論，在一定條件下從無序向有序，形成新的有序結(jié)構(gòu)的進化方向，進化與退化共同存在，相互包含，既對立又統(tǒng)一。既存在從有序向無序，最終達到熱平衡態(tài)的退化方向，如熱力學(xué)第二117所謂整體性是指構(gòu)成系統(tǒng)的各個要素通過相互聯(lián)系相互作用，按一定方式形成了具有特定功能的有機整體。整體性是自然界物質(zhì)系統(tǒng)最基本，最顯著的特性。所謂整體性是指構(gòu)成系統(tǒng)的各個要素通過相互聯(lián)系相互作用，按一定118一方面，該整體的功能既不同于各要素的功能，也不等于各要素性質(zhì)功能的簡單相加，是在整體水平上表現(xiàn)出的特有的性質(zhì)，功能和規(guī)律，大于各組成部分之和。系統(tǒng)的整體性常常被表述為“整體大于各部分之和”。一方面，該整體的功能既不同于各要素的功能，也不等于各要素性質(zhì)119另一方面，整體中各組成要素的功能與它們在孤立狀態(tài)下的功能也不同。由于系統(tǒng)的整體性，組成系統(tǒng)的各要素不再是完全獨立于系統(tǒng)的要素，而是在整體制約下相對獨立的部分。如水