二系統(tǒng)自然觀的建構(gòu)

第二章系統(tǒng)自然觀的建構(gòu)

每個時代的自然觀都是對該時代科學(xué)技術(shù)前沿成果的概括和提煉。本章的主要內(nèi)容，是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)給辯證唯物主義自然觀帶來的新發(fā)展。第一節(jié)自然界的物質(zhì)系統(tǒng)性一、自然物質(zhì)形態(tài)的系統(tǒng)性系統(tǒng)是自然物質(zhì)的普遍存在方式，也是物質(zhì)間普遍聯(lián)系的基本方式。系統(tǒng)：由相互聯(lián)系和相互作用的若干要素以一定的方式所組成的具有特定結(jié)構(gòu)和功能并與周圍環(huán)境發(fā)生聯(lián)系的有機整體。物質(zhì)系統(tǒng)：以系統(tǒng)方式存在的物質(zhì)客體。1、系統(tǒng)的基本特點是有機整體性

系統(tǒng)并不是各個部分的簡單總和，“非加和性”。系統(tǒng)作為一個整體，將出現(xiàn)它的組成部分所沒有的性質(zhì)或者失去其組成部分所具有的性質(zhì)。如原子是由中子、電子、質(zhì)子等組成，但原子作為一個整體所具有的性質(zhì)，不能還原其個組成部分的性質(zhì)組合。2.系統(tǒng)的要素、結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)境在物質(zhì)系統(tǒng)的整體與外部之間（環(huán)境），系統(tǒng)整體與部分之間以及系統(tǒng)內(nèi)部各個部分（要素）之間，普遍存在著相互作用。這種相互作用的存在，使系統(tǒng)具有一定的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出一定的功能。結(jié)構(gòu)是指物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)部個要素之間的聯(lián)系與組織方式

（1）空間結(jié)構(gòu)

（2）時空結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)物質(zhì)系統(tǒng)的功能，是指有特定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)系統(tǒng)在內(nèi)部關(guān)系和外部關(guān)系中所表現(xiàn)出來的特性和能力。系統(tǒng)的環(huán)境是指與系統(tǒng)或系統(tǒng)組成部分發(fā)生相互作用而又不屬于這個系統(tǒng)的所有事物上的總和。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系是辯證統(tǒng)一的，沒有無結(jié)構(gòu)的功能，也沒有無功能的結(jié)構(gòu)。物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定功能，結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)；而功能的發(fā)揮對結(jié)構(gòu)又有反作用，功能的優(yōu)化或退化，有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的優(yōu)化或退化。同時，功能與結(jié)構(gòu)也并非絕對對應(yīng)，同一結(jié)構(gòu)，可能有多種功能，同一功能也可以用不同的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。要素、結(jié)構(gòu)、功能與環(huán)境是規(guī)定、理解和分析系統(tǒng)的四個基本內(nèi)容。系統(tǒng)的功能不僅依賴于其要素和結(jié)構(gòu)，還依賴于環(huán)境、要素性質(zhì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)型和環(huán)境條件的變化。物質(zhì)系統(tǒng)具有無限多樣性。運動形式、系統(tǒng)和環(huán)境的關(guān)系、人與物質(zhì)系統(tǒng)的關(guān)系等。二、自然物質(zhì)系統(tǒng)的層次性自然物質(zhì)系統(tǒng)是一個相互聯(lián)系又相互作用的等級結(jié)構(gòu)，其每一個具體系統(tǒng)都是較高一級系統(tǒng)的一個要素；同時，他自身作為一個系統(tǒng)又包含著更低等級的子系統(tǒng)。質(zhì)的差異的等級系統(tǒng)，就是物質(zhì)系統(tǒng)的層次性。非生命物質(zhì)系統(tǒng)包含微觀系統(tǒng)：分子—原子—原子核—基本粒子—夸克—？宏觀系統(tǒng)：地球物體—衛(wèi)星—行星—恒星—宇觀系統(tǒng)：地月系—太陽系—銀河系—總星系—宇宙？—生命物質(zhì)系統(tǒng)生物大分子—組織—器官—個體—種群——群落—生態(tài)體系—生物圈不同層次生命系統(tǒng)的科學(xué)研究，也分別屬于生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)、生理學(xué)、生物進(jìn)化論和生態(tài)學(xué)等不同學(xué)科。物質(zhì)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)有兩個規(guī)律；（1）自然界物質(zhì)系統(tǒng)層次的結(jié)合度是隨著層次由低到高推進(jìn)，結(jié)合度由大到小遞減。（2）層次不同，物質(zhì)運動規(guī)律不同。在低層次看來正確的東西在高層次就不一定正確，例如，宏觀低速運動服從牛頓力學(xué)規(guī)律，微觀高速運動服從相對論量子力學(xué)。

三、自然物質(zhì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可變性穩(wěn)定性和可變性是物質(zhì)系統(tǒng)中普遍存在的一對重要性質(zhì)。穩(wěn)定的存在，使人們能對豐富多彩的自然界從各個角度進(jìn)行考察，可變性的存在，則使自然界的演化（進(jìn)化或者退化）成為可能。物體的穩(wěn)定性與自組織現(xiàn)象密切關(guān)聯(lián)。（自組織現(xiàn)象，就是在一定條件下系統(tǒng)通過自我組織自發(fā)形成一種“有序結(jié)構(gòu)”的現(xiàn)象。一個物質(zhì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著上線臨界值（閾值），超過這個值，系統(tǒng)就會出現(xiàn)臨界不穩(wěn)定性，使系統(tǒng)進(jìn)入失穩(wěn)或者混沌狀態(tài)。第二節(jié)自然物質(zhì)系統(tǒng)的演化與自組織

20世紀(jì)的新物理學(xué)革命革新了機械自然觀的物質(zhì)觀和時空觀。隨后出現(xiàn)的系統(tǒng)科學(xué)和非平衡態(tài)熱力學(xué)則帶來了從靜止到演化的自然觀——演化發(fā)展的自組織自然觀。其基本觀點是：自然的演化過程具有不可逆性；自然的進(jìn)化是一個不斷有序化和發(fā)生對稱性破缺的過程，具有開放性、遠(yuǎn)離平衡態(tài)、非線性相互作用和漲落的自組織機制；自然界的循環(huán)發(fā)展具有無限性。一、自然物質(zhì)系統(tǒng)的演化過程自然界的演化主要是由宇宙的起源、地球的起源、生命的起源和人類的起源構(gòu)成的。合稱為“四大起源”。1、宇宙的起源和演化按照現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的大爆炸宇宙論和暴脹宇宙論，宇宙起源于大約150億年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸之初，是一個高溫、高密度的“奇點”。從大爆炸開始至10－43秒（普朗克時間）之間有一個過渡的混沌狀態(tài)，它包含有隨機的量子漲落以及由初始狀態(tài)的一種臨界不穩(wěn)定性造成的許多被稱為“泡沫”的區(qū)域。隨著宇宙的膨脹，溫度的下降，宇宙進(jìn)入到一個叫做“假真空”的狀態(tài)，這種“假真空”不同于真的物理真空，它具有巨大的負(fù)壓力，引起引力排斥效應(yīng)，使宇宙從大約10－35秒后發(fā)生按指數(shù)急劇的膨脹即所謂“暴脹”，以致宇宙在這一極短的時間（10－35－10－32秒）半徑增加了約1050倍。在暴脹結(jié)束后（10－32－10－6秒），宇宙進(jìn)入對稱破缺階段，由“假真空”態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢嬲婵铡睉B(tài)，其多余的能量釋放出來，在“真真空”中產(chǎn)生了諸如夸克、輕子之類的最基礎(chǔ)的基本粒子，標(biāo)志著宇宙的誕生。而隨著宇宙溫度和密度的逐步降低，宇宙又經(jīng)歷了以下幾個演化階段：（1）基本粒子形成階段。（2）輻射階段或核合成階段。這個階段從宇宙時為1秒開始持續(xù)到一萬年。（3）實物階段。宇宙時一萬年后，形成穩(wěn)定的原子。大約在宇宙時70萬年左右形成原子星系。當(dāng)宇宙時為50億年時，開始形成第一代恒星。恒星的演化，按目前廣為接受的彌漫說，一般經(jīng)歷四個階段：引力收縮階段；主序星階段；紅巨星階段；脈沖星階段或爆發(fā)階段和高密階段。在恒星演化的特定階段和特定條件下，在宇宙之一隅出現(xiàn)了太陽系以及作為太陽系一個成員的地球。

觀看教學(xué)片2、地球的演化

首先是地球內(nèi)部圈層的形成和演化。按照“冷”起源說，形成原始地球的那部分物質(zhì)的溫度開始時比較低，后來在各種因素作用下，重元素下沉形成地核，輕元素上浮形成地幔。其次是地球外部圈層的形成和演化。由于地幔物質(zhì)增溫，被禁錮在地幔物質(zhì)中的一氧化碳、甲烷、氨等氣體逸出地表。形成原始大氣圈。早期的大氣中含有大量的水汽，由于地表溫度下降，水汽便凝結(jié)成雨降到地面。經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成了海洋，集聚在大陸上的水形成江河、湖泊以及地下水。這些水息息相通，形成連續(xù)的水圈。這樣，就形成地球的內(nèi)三圈（地核、地幔、地殼）和外三圈（巖石圈、水圈、大氣圈）。生命形成發(fā)展后還有生物圈。再次是地殼運動。根據(jù)板塊學(xué)說，整個地殼被劃分為若干個大的板塊，板塊馱在地幔軟流圈之上，隨著軟流圈的熱對流發(fā)生移動，由板塊的水平運動控制的垂直運動造就了豐富的地貌。3、生命的起源和演化

原始生命的起源和發(fā)展需要經(jīng)過化學(xué)進(jìn)化和生物進(jìn)化兩個階段。生命起源的化學(xué)進(jìn)化階段，一般認(rèn)為在地球誕生之后大約十多億年的時間。生命起源的化學(xué)進(jìn)化過程大致經(jīng)歷了如下四個階段：（1）從無機小分子合成有機小分子（2）從有機小分子合成生物大分子（3）從生物大分子組成多分子體系（4）從多分子體系演變?yōu)樵忌?。如果把演化比作賽場，將寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的不同動物門類與現(xiàn)生動物門類進(jìn)行對照，人們不難發(fā)現(xiàn)，在漫漫五億多年的時空之旅中，曳鰓動物、星蟲動物、箭蟲動物、尾索動物和海豆芽等則恪守祖先的原本，忠誠地將祖先的特征、體態(tài)、行為和生活方式一代又一代遺傳下來。而節(jié)肢動物一直在快跑，脊椎動物先是慢走，后來急起直追，沿著魚類、兩棲類、爬行類和哺乳類的方向演化，最后由哺乳類動物分化出了人類。展現(xiàn)了生命的波瀾壯闊、多彩多姿。人類是從脊椎動物靈長目中的猿分化出來的。勞動是促成這一進(jìn)化的重要條件。能制造工具的人類大約出現(xiàn)在距今300萬年前。人類的起源和進(jìn)化大體上分為以下四個階段：（1）類人猿：在1400萬年前。能使用天然工具，但還不會制造工具（2）猿人：大約生存于距今300萬到30萬年前，是人類的直接祖先，他們已能制造石器，（3）早期智人（古人）：大約出現(xiàn)于20多萬年前，他們學(xué)會了人工取火，（4）晚期智人（新人）：大約出現(xiàn)在4－5萬年前舊石器時代晚期，能夠布置陷阱捕捉猛獸，能夠摩擦取火，用獸皮等做簡易房屋。4、人類的起源和進(jìn)化如今，人類已經(jīng)能夠在分子水平上通過基因工程來“修改”生命，甚至創(chuàng)造出新的生命形式。當(dāng)代生命科學(xué)已發(fā)展到足以改造人類自身，改變?nèi)祟惖淖匀槐拘缘某潭取Ｋ呀?jīng)可以在如下不同層次上對人的生命載體進(jìn)行技術(shù)操作：一是對外形的“修改”或“補充”，如五官整形、斷肢再植等；二是對體內(nèi)器官的治療和移植，包括天然器官和人造器官的移植；三是在細(xì)胞水平上的操作，諸如體外受孕、試管嬰兒，以及包括生殖細(xì)胞和體質(zhì)細(xì)胞的克隆技術(shù)等；四是在分子水平上的操作，如目前正在試驗的基因治療以及通過對人體基因組的修改來改善人的生命質(zhì)量，使人類發(fā)生物性的新進(jìn)化。1、自組織自組織是指沒有外界的特定干預(yù)，在事物自身的運動變化規(guī)律下支配實現(xiàn)的。自組織使自然物質(zhì)系統(tǒng)演化過程中的普遍現(xiàn)象，每一個具體形態(tài)的物質(zhì)系統(tǒng)的形成，都可以認(rèn)為是自組織過程。

二、自組織現(xiàn)象與自組織理論

自組織一般包含著三類過程：由非組織到組織的過程演化；由組織程度低到組織程度高的過程演化；在相同組織層次上由簡單到復(fù)雜的過程演化。2.自組織理論：系統(tǒng)進(jìn)化的機制和條件

自組織理論是一個學(xué)科群，其中最具代表性的有耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、超循環(huán)理論、突變論。各種自組織理論盡管背景和對象有很大的差別，但都試圖解決一個普遍性的問題，即從無序走向有序的條件和機制問題，并取得了不同程度的成功。這些理論從不同側(cè)面揭示了在遠(yuǎn)離平衡條件下的開放系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)的可能性。（1）耗散結(jié)構(gòu)

耗散結(jié)構(gòu)是指需要耗散能力才能形成和維持的有序結(jié)構(gòu)。

（比利時化學(xué)家）普利高津指出，一個系統(tǒng)的熵變（dS）是由兩方面的因素引起的，一個因素是系統(tǒng)與環(huán)境相互作用中交換的熵（dSe），稱外熵流，另一個因素是系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)產(chǎn)生的熵（dSi），稱熵變。系統(tǒng)總熵為：

dS=dSe+dSi對于孤立系統(tǒng)，由于系統(tǒng)和環(huán)境之間沒有物質(zhì)和能量的交換，也就不可能產(chǎn)生熵的交換。（2）協(xié)同學(xué)協(xié)同學(xué)研究的對象是系統(tǒng)從初始穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)一系列不穩(wěn)定過程，演化為宏觀上具有自組織行為的新狀態(tài)的一般規(guī)律。德國物理學(xué)家哈肯在20世紀(jì)九十年代提出的。

自然系統(tǒng)進(jìn)入自組織，必須存在一個反饋通道，它可以通過正反饋的方式放大系統(tǒng)的某種波動或起伏，從而產(chǎn)生新質(zhì)，加速系統(tǒng)的自組織。比如在城市發(fā)展歷史上，如果由于某種原因而使某個地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平稍高一些，那么它將提供更多的就業(yè)機會，從而吸引更多的人口到這里集中，而人口集中又對消費品提出更多的要求，這又促使經(jīng)濟(jì)水平的提高，這被稱為“城市倍增器”，是一種正反饋機制。三、自組織理論關(guān)于系統(tǒng)演化的基本范疇1.無序、有序“序”是描述客觀事物或系統(tǒng)內(nèi)部組成元素之間相互關(guān)系的范疇“無序”是指客觀事物或系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間聯(lián)系、組合或運動的無規(guī)則性和不確定性?！坝行颉敝傅氖强陀^事物或系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間聯(lián)系、組合或運動，在空間、時間、結(jié)構(gòu)功能等方面顯示出一定的順序、規(guī)則，具有某種確定性、方向性和規(guī)律性?！盎煦纭笔窍到y(tǒng)演化的一個方向；混沌并不等于混亂，也不是無序，是確定系統(tǒng)內(nèi)在隨機性，是看起來雜亂無章的有序狀態(tài)，或說是裝扮成無序的有序。是無序與有序的統(tǒng)一。2.平衡與非平衡

平衡與非平衡是標(biāo)志著系統(tǒng)矛盾運動的范疇。平衡是指矛盾雙方勢均力敵，處于相對靜止的狀態(tài)。非平衡狀態(tài)是指矛盾雙方力量有一定差異，因而處于顯著變動的狀態(tài)。在近乎平衡態(tài)的情況下，即使系統(tǒng)開放，它也會返回平衡態(tài)的?！胺瞧胶馐怯行蛑础?，只有非平衡態(tài)才能導(dǎo)致有序，形成穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)。怎樣實現(xiàn)系統(tǒng)的非平衡態(tài)呢？通過來自外部環(huán)境的物質(zhì)流、能量流以及伴隨而來的信息流的輸入，將系統(tǒng)驅(qū)使到遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處在遠(yuǎn)離平衡態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部各構(gòu)成要素或子系統(tǒng)之間存在著非線性相互作用時，那么，某種微小的漲落將通過正反饋機制而被放大，使系統(tǒng)躍遷到一個新的穩(wěn)定有序狀態(tài)。正因如此，普利高津說：“在非平衡過程中……漲落決定全局的結(jié)果”，“通過漲落達(dá)到有序”。3.對稱與非對稱對稱是指事物或運動是以一定的中介進(jìn)行某種變換時所保持的不變性或者同一性。非對稱則是變化性或者差異性。系統(tǒng)的對稱性破缺狀態(tài)對應(yīng)著有序，自然系統(tǒng)的有序化是對稱性破缺的結(jié)果，正是由于對稱性破缺才使系統(tǒng)向有序化、組織化、和復(fù)雜化演化。四、自然物質(zhì)系統(tǒng)演化的方向問題1.可逆與不不可逆可逆與不可逆蝕刻畫自然物質(zhì)系統(tǒng)演化過程的一對范疇?？赡?，是指一個物質(zhì)系統(tǒng)經(jīng)過某一演化過程，從某種初始狀態(tài)達(dá)到另一種狀態(tài)，如果存在著另一種過程，使該系統(tǒng)與外界環(huán)境完全回到原來的初始狀態(tài)，則原來的過程稱為可逆過程。反之則是不可逆過程。在自然物質(zhì)的演化過程中，可逆性總是相對的和有條件的，不可逆才是絕對的和無條件的。不可逆才是演化成為可能。進(jìn)化和退化是自然界中廣泛存在的兩種趨勢和過程。進(jìn)化與退化之間具有統(tǒng)一性。這種統(tǒng)一性主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）進(jìn)化與退化互相包含。以進(jìn)化為主的過程往往內(nèi)在地包含著退化。同樣，以退化為主的過程也常常內(nèi)在地包含著進(jìn)化。生物進(jìn)化具有不可逆性，滅絕的物種不可能重新出現(xiàn)，但是生物進(jìn)化之中也有退化，一些結(jié)構(gòu)和功能的進(jìn)化，同時也就意味著另一些結(jié)構(gòu)和功能的退化；返祖現(xiàn)象的出現(xiàn)，也是生物進(jìn)化之中的退化。2、進(jìn)化與退化的對立統(tǒng)一（2）進(jìn)化與退化同生共存。進(jìn)化與退化常常是同時存在和同步發(fā)生的。它們往