自然辯證法 第二章 20世紀自然科學(xué)的發(fā)展與系統(tǒng)自然觀

第二章：20世紀自然科學(xué)的發(fā)展與系統(tǒng)自然觀一、系統(tǒng)自然觀產(chǎn)生的自然科學(xué)基礎(chǔ)（一）現(xiàn)代自然科學(xué)的發(fā)展1、物理學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)德國物理學(xué)家倫琴1895年，發(fā)現(xiàn)X射線。英國物理學(xué)家湯姆遜1897年，證實了電子流。法國.居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素2、物理學(xué)上的危機一“兩朵烏云”＞黑體輻射問題一一紫外災(zāi)難，經(jīng)典理論無法解釋＞以太問題——邁克爾遜一莫雷實驗經(jīng)典物理學(xué)陷入危機3、物理學(xué)革命（1）“相對論”★1905年，愛因斯坦發(fā)表了題為《運動物體中的電動力學(xué)》的論文狹義相對論的兩個基本原理：相對性原理；物理學(xué)定律在所有的慣性系中是相同的，不存在一種特殊的慣性系。光速不變原理：在所有的慣性系中，真空中光的速度具有相同的值?！?916年，愛因斯坦發(fā)表了《廣義相對論的基礎(chǔ)》（2）量子假說1900年12月24日，普朗克在法國物理學(xué)會上宣讀了題為《關(guān)于正常光譜能量分布定律的理論》的論文。宣告了量子論的誕生。提出了能量子假說。（3）光的量子理論1905年愛因斯坦在普朗克能量子假說的基礎(chǔ)上找出了光量子假說，光就是以光速C運動著的粒子流，他把這種粒子叫光量子。（提出“波粒二象性”解釋‘光電效應(yīng)’）量子力學(xué)的建立?法國物理學(xué)家德布羅意實物粒子也具有波動性?奧地利物理學(xué)家薛定諤物質(zhì)波的運動方程?海森堡測不準關(guān)系A(chǔ)x?△pNh/2辯證唯物主義自然觀的新發(fā)展愛因斯坦相對論的建立，否定了牛頓的絕對時空觀，把時間、空間聯(lián)系起來，引起了時空觀、物質(zhì)觀、運動觀的深刻變革。量子力學(xué)揭示了統(tǒng)計決定論的因果觀。（改變了經(jīng)典理論中的嚴格決定論；說明自然界是一個統(tǒng)一的、不可分割的整體。）分子生物學(xué)深化了對生命機制和生命本質(zhì)的認識四大理論模型-宇宙學(xué)中的大爆炸模型-粒子物理學(xué)中的夸克模型-分子生物學(xué)中的DNA雙螺旋模型-地球科學(xué)中的板塊模型科學(xué)革命的不徹底性和遺留問題（1）關(guān)于自然界是存在還是演化的問題只克服了機械性、形而上學(xué)的片面性和孤立性，而靜止性的克服有待科學(xué)進一步的發(fā)展。（二）系統(tǒng)科學(xué)和復(fù)雜性科學(xué)系統(tǒng)科學(xué)是把對象作為組織性、復(fù)雜性系統(tǒng)從整體上進行研究，以揭示其運動規(guī)律和實際處理這類系統(tǒng)的科學(xué)。包括：控制論、信息論、系統(tǒng)論、耗散結(jié)構(gòu)理論、突變論、協(xié)同學(xué)、混沌理論、超循環(huán)理論等?系統(tǒng)科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展系統(tǒng)科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展：“三論”：系統(tǒng)論、控制論、信息論（新三論）非平衡理論：耗散結(jié)構(gòu)理論比利時普里高津協(xié)同學(xué)：德國哈肯突變理論：法國托姆混沌理論：混亂、無序最早的系統(tǒng)科學(xué)1、一般系統(tǒng)論（生物學(xué)家貝塔朗菲1901-1972）第一次把“系統(tǒng)”定義為“相互作用的若干要素的復(fù)合體”。（使科學(xué)研究對象從孤立的部分轉(zhuǎn)向整體）最早的系統(tǒng)科學(xué)一般系統(tǒng)論是關(guān)于系統(tǒng)的一般模式、結(jié)構(gòu)和規(guī)律的學(xué)問，它研究各種系統(tǒng)的共同特征，用數(shù)學(xué)方法定量地描述其功能，尋求并確立適用于一切系統(tǒng)的原理、原則和數(shù)學(xué)模型，是具有邏輯和數(shù)學(xué)性質(zhì)的一門新興科學(xué)。2、控制論cybernetics（美國維納1948年創(chuàng)立）研究系統(tǒng)的狀態(tài)、功能、行為方式及變化趨勢，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，揭示不同系統(tǒng)的共同的控制規(guī)律，使系統(tǒng)按預(yù)定目標運行的技術(shù)科學(xué)。信息——是控制論的基本概念，既非物質(zhì)，也不是能量。反饋一一是把被控制對象在控制信息作用下產(chǎn)生的輸出信息返回傳送給控制器，以根據(jù)控制效果來調(diào)控控制作用。3、信息論informationtheory（美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)1948年創(chuàng)立）是運用概率論與數(shù)理統(tǒng)計的方法研究信息通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)組織化程度以及信息在系統(tǒng)中如何有效的傳輸?shù)葐栴}的應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)科。（信息熵作為信息量的測度）新系統(tǒng)科學(xué)一新三論（20世界70年代前后）自組織（Self一organization）是指一個系統(tǒng)的要素按照彼此的相干性、協(xié)同性或某種默契而形成的特定結(jié)構(gòu)和過程。（信息來自內(nèi)部，結(jié)構(gòu)和功能在一定條件下自發(fā)產(chǎn)生）1、耗散結(jié)構(gòu)理論dissipativestructuretheory（比利時科學(xué)家普里戈金1967年創(chuàng)立）提出一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)可以通過不斷地與外界交換物質(zhì)、能量和信息，當(dāng)外部條件達到一定臨界值時，從原來混沌無序的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，形成有序結(jié)構(gòu)的理論。2、協(xié)同學(xué)（德國科學(xué)家哈肯1969年創(chuàng)立）以競爭、協(xié)同和序參量等因子的系統(tǒng)內(nèi)部相互作用解釋系統(tǒng)動力學(xué)的理論，揭示了自組織的內(nèi)在動力機制。3、突變論（法國數(shù)學(xué)家托姆1972年創(chuàng)立）從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與非穩(wěn)定性的對立統(tǒng)一角度用數(shù)學(xué)語言精確的描述了突變的過程、類型和內(nèi)容。證明了突變是“飛躍”的論斷4、超循環(huán)理論（艾根1971年創(chuàng)立）以分子之間的關(guān)聯(lián)形成循環(huán)鏈條的方式解釋如何進化成為大分子的理論揭示了非生命自組織、非生命自組織向生命自組織演化的過程形式和本質(zhì)。系統(tǒng)的復(fù)雜性復(fù)雜系統(tǒng)是具有中等數(shù)目基于局部信息做出行動的智能性、自適應(yīng)性主體的系統(tǒng)。中等數(shù)目的主體:元素既不能太多,也不能太少.局部信息:沒有中央控制，每個主體只可以從個體集合的一個相對較小的集合中獲取信息，做出相應(yīng)的決策.智能性和自適應(yīng)性:系統(tǒng)內(nèi)的元素或主體的行為遵循一定的規(guī)則，根據(jù)環(huán)境和接收信息調(diào)整自身的狀態(tài)和行為，且主體通常有能力調(diào)整規(guī)則,產(chǎn)生新規(guī)則.復(fù)雜系統(tǒng)的特征突變性、不穩(wěn)性、非確定性、不可預(yù)測性以上這些新系統(tǒng)科學(xué)的側(cè)重點是系統(tǒng)的演化，據(jù)此稱它們?yōu)槊M織系統(tǒng)科學(xué)”存在物理?學(xué)（原來物理,學(xué)）演化物理,學(xué)二、系統(tǒng)自然觀的基本內(nèi)涵和思想（一）系統(tǒng)自然觀的基本思想物質(zhì)觀：開始把具有復(fù)雜性特征的事物作為研究對象，注重結(jié)構(gòu)、相互關(guān)系及其演化時空觀：進一步明確時空與物質(zhì)的關(guān)聯(lián)，表達時空與物質(zhì)的復(fù)雜關(guān)系演化觀：強調(diào)事物的生成、演化以及對初值和環(huán)境的極端敏感性.生命觀：以“自組織”的觀點，揭示事物會自發(fā)自主的從非生命演化出生命.環(huán)境和條件觀：強調(diào)事物與環(huán)境的互動.系統(tǒng)觀：把世界看作系統(tǒng)，注重整體性、關(guān)聯(lián)性。（最顯著、最根本的）（二）系統(tǒng)自然觀最基本的內(nèi)涵1、自然系統(tǒng)不僅存在著，而且演化著；（從存在到演化）不可逆性（時間之矢）可逆過程（時間反演對稱）使時間從一個外部參量轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀谎莼膬?nèi)在尺度，提出“內(nèi)部時間”概念，表明自然科學(xué)從存在的科學(xué)走向演化的科學(xué)。2、自然系統(tǒng)不僅是確定的，而且會自發(fā)地產(chǎn)生不可預(yù)測的隨機性；確定性和隨機性的統(tǒng)一3、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；簡單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一線性和非線性的統(tǒng)一（三）系統(tǒng)自然觀確立的重大意義1、豐富和發(fā)展了辯證唯物主義自然觀豐富和發(fā)展了物質(zhì)觀一整體性是自然界最基本的屬性豐富和發(fā)展了運動觀一一自組織性豐富和發(fā)展了時空觀一時間之矢是物理系統(tǒng)的內(nèi)部屬性論證了辯證唯物主義自然觀關(guān)于運動、發(fā)展的大循環(huán)思想2、提供了系統(tǒng)思維方式系統(tǒng)思維方式：是把對象當(dāng)作一個系統(tǒng)的整體加以思考的思維方式，根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)、關(guān)系、結(jié)構(gòu)，把對象的各個組成要素有機地組合起來構(gòu)成模型，研究系統(tǒng)的功能和行為，具有整體性、綜合性、定量化和精確化的特征?；舅悸罚?把對象作為整體來考察-“整體大于部分之和”（非加和性）-把系統(tǒng)看作動態(tài)開放系統(tǒng)-側(cè)重研究無序、不穩(wěn)定性、非線性、不平衡性系統(tǒng)思維與形而上學(xué)思維方式的比較系統(tǒng)論：整體、綜合雙向思維形而上學(xué)一還原論部分、分析單向思維3、為科學(xué)認識活動提供世界觀和方法論的指導(dǎo)三、自然界的系統(tǒng)存在方式（一）何謂“系統(tǒng)”？貝塔朗菲：系統(tǒng)是處于一定的相互關(guān)系中并與環(huán)境發(fā)生關(guān)系的各組成部分的集合。錢學(xué)森：由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合的具有特定功能的有機整體。系統(tǒng)的定義：所謂系統(tǒng)，就是由一定數(shù)量相互聯(lián)系、相互作用的要素所組成的、具有特定功能的有機整體。?:?系統(tǒng)由若干要素組成?:?系統(tǒng)內(nèi)諸要素間形成了特定的結(jié)構(gòu)?具有特定功能的統(tǒng)一整體???功能是在系統(tǒng)與外部環(huán)境的相互作用中表現(xiàn)出來。（系統(tǒng)總是處于一定環(huán)境之中）（二）系統(tǒng)的類型?:?根據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系可分為：孤立系統(tǒng)2.封閉系統(tǒng)3.開放系統(tǒng)（更大的普遍性）???根據(jù)人對自然物參與的程度可分為：天然系統(tǒng)2.人工系統(tǒng)3.復(fù)合系統(tǒng)???根據(jù)物質(zhì)系統(tǒng)狀態(tài)可分為：1.靜態(tài)系統(tǒng)（平衡態(tài)系統(tǒng)）（近平衡態(tài)系統(tǒng)）2.動態(tài)系統(tǒng)（遠離平衡態(tài)）???根據(jù)系統(tǒng)領(lǐng)域及認知程度可分為：微觀系統(tǒng)、宏觀系統(tǒng)、宇觀系統(tǒng)、黑系統(tǒng)、白系統(tǒng)、灰系統(tǒng)

三）系統(tǒng)的特點?:?1.動態(tài)開放性（可變性）是物質(zhì)系統(tǒng)與其環(huán)境系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，即與外界自由地進行物質(zhì)、能量和信息交換，進而不斷地運動、發(fā)展和變化。?:?2.穩(wěn)定性是系統(tǒng)的一個基本特點，即一個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一旦形成，就總是趨向于保持某一狀態(tài)。?:?3.整體性（最突出、最根本）系統(tǒng)是各要素按一定方式構(gòu)成有機整體，而非簡單地加和；系統(tǒng)表現(xiàn)出各組成要素所沒有的新性質(zhì)和功能?！罢w大于部分之和”整體性是一切自然系統(tǒng)的普遍屬性?4.層次性是指一方面系統(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。層次結(jié)構(gòu)的特點-層次結(jié)構(gòu)：指的是若干要素經(jīng)相干性關(guān)系構(gòu)成的系統(tǒng)，再通過新的相干性關(guān)系而構(gòu)成新系統(tǒng)的逐級構(gòu)成的結(jié)構(gòu)關(guān)系。層次結(jié)構(gòu)中的構(gòu)成性關(guān)系是物質(zhì)系統(tǒng)間的縱向關(guān)系層次結(jié)構(gòu)中的相干性關(guān)系是物質(zhì)系統(tǒng)間的橫向關(guān)系（橫向關(guān)系的存在導(dǎo)致了縱向?qū)哟伍g的差異）層次結(jié)構(gòu)的結(jié)合度隨著層次結(jié)構(gòu)由低到高推進，結(jié)合的緊密程度由大到小而遞減。反之，則高層系統(tǒng)形成時，低層系統(tǒng)必將瓦解，進而不能成為一個整體。下向因下向因果鏈既造成了層次間的差異，也溝通了層次間的聯(lián)系質(zhì)的差異限制和影響表明：低層系統(tǒng)對高層系統(tǒng)的基礎(chǔ)性作用高層系統(tǒng)對低層系統(tǒng)的支配調(diào)節(jié)作用（四）系統(tǒng)中的幾對辯證關(guān)系1、系統(tǒng)與要素＞區(qū)別：系統(tǒng)與要素在性質(zhì)、功能、關(guān)系以及構(gòu)成方面都是不一樣的。系統(tǒng)的新質(zhì)不是要素性質(zhì)的簡單加和?聯(lián)系：系統(tǒng)與要素相互依存；系統(tǒng)與要素相互影響；系統(tǒng)與要素相互轉(zhuǎn)化2、系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)＞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：是指自然系統(tǒng)的諸要素之間的相互關(guān)系的總和，它表現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)部的組織形式、聯(lián)系方式和秩序。＞系統(tǒng)的功能：是指系統(tǒng)與外界環(huán)境之間表現(xiàn)出來的物質(zhì)、能量、信息的輸入與輸出的變換關(guān)系。功能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系結(jié)構(gòu)是功能的內(nèi)在根據(jù)（相對穩(wěn)定），功能是結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)（可變性）。結(jié)構(gòu)決定功能、功能對結(jié)構(gòu)具有反作用、功能具有相對的獨立性3、加和性與非加和性的辯證關(guān)系-加和性：一個系統(tǒng)能夠通過把原來分離的要素集合攏來的方式建立起來；反之，系統(tǒng)的特征能夠完全分解為各個分離要素的特征。-非加和性一表征系統(tǒng)與其構(gòu)成部分之間質(zhì)的差異，表征新屬性的出現(xiàn)。非加和性一相干性相干性——耦合關(guān)系耦合各方經(jīng)過物質(zhì)、能量、信息的交換而彼此約束和選擇、協(xié)同和放大。耦合.?在復(fù)雜系統(tǒng)中開放條件用艮多復(fù)雜因素共同堅強或削弱某一因素的行為約束和選擇——自由度減少；部分屬性喪失.協(xié)同和放大——在新的模式下協(xié)調(diào)一致，原有屬性被拓寬放大.如耦合不改變各方的某種屬性，那么在這種屬性上，部分對整體是加和的。如耦合中各方的屬性是相干的，那么在這類屬性上，部分對整體是非加和的。（系統(tǒng)中必然存在）加和性與非加和性共存于系統(tǒng)之中，在系統(tǒng)演化過程中相互轉(zhuǎn)化。4、穩(wěn)定與漲落的辯證關(guān)系-漲落：刻劃系統(tǒng)整體狀態(tài)的宏觀量對平均值的起伏或偏離-穩(wěn)定：宏觀量保持在某種平均值上根據(jù)對漲落的不同反應(yīng)，可區(qū)分出三種狀態(tài)：恒穩(wěn)態(tài)——對漲落保持不變的狀態(tài)亞穩(wěn)態(tài)——在一定范圍內(nèi)對漲落保持不變的狀態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)——在漲落下會消失的狀態(tài)穩(wěn)定與漲落的矛盾統(tǒng)一：穩(wěn)定一失穩(wěn)——再穩(wěn)定四、自然界的演化發(fā)展-自然界演化的不可逆性-自然界演化的方向性-自然系統(tǒng)演化的基本方式-自然系統(tǒng)演化的機制（一）時間之矢與不可逆性＞可逆與不可逆（刻劃過程的概念）設(shè)在某一過程L中，系統(tǒng)從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B。如果能使系統(tǒng)從狀態(tài)B逆向回復(fù)到初狀態(tài)A，而同時外界也恢復(fù)原狀，過程L就稱為可逆過程。如果系統(tǒng)不能回復(fù)到原狀態(tài)A，或者雖然能回復(fù)到初態(tài)A，但外界不能恢復(fù)原狀，那么過程L稱為不可逆過程。可逆過程＞時間反演對稱：如描述一個過程的數(shù)學(xué)方程中，將時間t的符號改變＞（t.-1），方程的形式不變。（過去與未來對運動沒有區(qū)別）時間反演對稱——可逆過程時間僅僅是從外部描述運動的一個參量，它的變化不影響運動的性質(zhì)。（沒有物理內(nèi)容，沒有實質(zhì)性意義）結(jié)論：大量事實表明，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實際宏觀過程都是不可逆的，熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)在于揭示了自然過程的不可逆性。不可逆性在演化中的作用不可逆顯示了時間的方向性，突出了時間箭頭的實質(zhì)性意義，從而是有物理內(nèi)容的時間。這意味著，在不可逆過程存在的情況下，自然界的演化才是可能的，質(zhì)的多樣性才是可能的。一方面不可逆過程總是起著破壞有序結(jié)構(gòu)，使有序趨向無序的消極作一一退化另一方面，不可逆過程也具有建設(shè)性作用，產(chǎn)生更加有序的結(jié)木一進化與不可逆過程聯(lián)系的時間箭頭即可以指向退化方向，又可以指向進化方向。（二）自然界演化的方向性進化與退化?:?進化（evolution）：自然界的物質(zhì)系統(tǒng)在物質(zhì)形態(tài)和運動形式上由簡單到復(fù)雜、由低級到高級、由混亂無序到組織有序的發(fā)展趨勢或復(fù)雜性和多樣性的增長。演化不一定就是進化，進化是一種具有特定方向的演化（上升的、從無序到有序、從低序到高序）。1、進化序、有序和無序序——排列，引申為一種規(guī)則的狀態(tài)。不僅表現(xiàn)為空間結(jié)構(gòu)的某種規(guī)則性，而且反映了時間演化過程的某種規(guī)律性。有序一一自然系統(tǒng)內(nèi)部各要素的空間位置呈現(xiàn)有規(guī)則排列，系統(tǒng)的變化過程有明顯的周期性，系統(tǒng)的行為表現(xiàn)出一定的關(guān)聯(lián)性。無序一一自然系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間混亂而無規(guī)則的組合及系統(tǒng)變化的無規(guī)則性稱為無序有序與無序的辯證關(guān)系＞有序與無序是相對的，而不是絕對的。（沒有絕對的有序，也沒有絕對的無序，兩者間沒有絕對分明的界限）＞有序與無序在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。有序度：任何系統(tǒng)都是有序和無序的不同程度的辯證統(tǒng)一，這種統(tǒng)一的不同程度，就構(gòu)成了系統(tǒng)的一定秩序，即有序度。以“熵”來表示系統(tǒng)的無序程度自組織理論自組織（self-organization）系統(tǒng)通過一定的機制自行、自我組織起來的概念。組織——組織化被組織所謂自組織是指一個系統(tǒng)的要素按照彼此的相干性、協(xié)同性或某種默契而形成的特定結(jié)構(gòu)和過程。（自組織過程所需要的信息來自系統(tǒng)自身而不是其外部）。產(chǎn)生自組織的外部條件系統(tǒng)必須是開放的（必要條件）ds（系統(tǒng)的熵）=dis（系統(tǒng)自身的熵產(chǎn)生）+des（系統(tǒng)與環(huán)境的熵交換）如果ds增加了，那么系統(tǒng)走向無序，反之，就是在走向有序.ds（系統(tǒng)的熵）=dis（系統(tǒng)自身的熵產(chǎn)生）+des（系統(tǒng)與環(huán)境的熵交換）對于孤立系統(tǒng)ds=dis