第二章 系統(tǒng)自然觀.ppt

1、第二章 系統(tǒng)自然觀,自然界事物的存在方式,物質(zhì)的存在方式,系統(tǒng)的存在方式,第一節(jié) 自然界物質(zhì)多樣性與統(tǒng)一性,一、自然界物質(zhì)多樣性,1、從物質(zhì)分類看物質(zhì)形態(tài)的多樣性,自然界,非生命界,宇觀星系,宏觀團(tuán)聚體,微觀元素,渺觀基本粒子,生命界,微生物20多萬種,植物30多萬種,動(dòng)物150多萬種,2、從物質(zhì)聚集態(tài)看物質(zhì)形態(tài)的多樣性,自然界的多態(tài),固態(tài)內(nèi)部有較強(qiáng)的內(nèi)聚力，有一定體積和形態(tài)。,液態(tài)內(nèi)部有較強(qiáng)的內(nèi)聚力，有一定體積，但無一定形態(tài)。,氣態(tài)沒有一定體積，亦無一定形態(tài)。,等離子態(tài)氣體的原子外層電子脫離原子 （氣溫在幾千度時(shí)），于是中性的原子變成了帶陽電的離子。宇宙中有99.9%以上的物質(zhì)處于等離子態(tài)。

2、,超密態(tài)當(dāng)物質(zhì)在超高壓（幾百萬個(gè)大氣壓） 物質(zhì)密度極大，千噸或億噸/CM3,真空態(tài)物質(zhì)形態(tài)的一種，是負(fù)能態(tài)的粒子海。,反物質(zhì)態(tài)由反粒子構(gòu)成的物質(zhì),二、自然界物質(zhì)的統(tǒng)一性,第一，宇宙中的物質(zhì)在化學(xué)元素上是統(tǒng)一的。,第二，宇宙萬物在基本粒子層次上是統(tǒng)一的。,第三，實(shí)物和場兩種基本物質(zhì)形態(tài)是統(tǒng)一的。,第二節(jié) 自然界物質(zhì)的系統(tǒng)性,一、系統(tǒng)的概念和特點(diǎn),1、系統(tǒng)的概念 我國著名系統(tǒng)工程科學(xué)家錢學(xué)森認(rèn)為：所謂系統(tǒng)是由相互影響、相互作用、相互制約的各個(gè)部分組成的具有一定功能的整體。,2、系統(tǒng)的特點(diǎn) 一是多元性 二是關(guān)聯(lián)性 三是整體性,注意的四個(gè)因素 系統(tǒng)要素構(gòu)成的基元性 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性 系統(tǒng)的環(huán)境性 系統(tǒng)的行

3、為和功能,二、系統(tǒng)理論相關(guān)觀點(diǎn),（一）物質(zhì)系統(tǒng)的整體與部分的關(guān)系,一是加和性關(guān)系：整體與部分之間存在某種加和關(guān)系或守恒關(guān)系。如果可以量度的話， 整體等于部分之和。,二是非加和關(guān)系：由于處于系統(tǒng)整體中的各組成部分之間 存在相互作用，一方面使處于系統(tǒng)聯(lián)系中的組成部分的性 質(zhì)不同于自然狀態(tài)不的性質(zhì)，使組成的部分原有的某些性 質(zhì)被屏蔽起來；另一方面使得系統(tǒng)整體產(chǎn)生出它的組分和 組分總和所沒有的、甚至對(duì)了組成部分來說是毫無意義的 新性質(zhì)?？傊?，由部分構(gòu)成系統(tǒng)整體時(shí)，有新質(zhì)突現(xiàn)，整 體不等于部分之和。,系統(tǒng)整體性效應(yīng)是系統(tǒng)的組成部分之間相互作用、相互激發(fā)而產(chǎn)生的整體性效應(yīng)。,蘇東坡詩云：“若言琴上有琴聲，

4、放在匣中何不嗚？若言聲在指頭止，何不于君指上聽？” 系統(tǒng)整體性效應(yīng)可表示為這樣三種情形： 整體大于部分之和 WPi 整體小于部分之和 WPi 整體等于部分之和 WPi,十八世紀(jì)末，法國遠(yuǎn)征軍在拿破侖（Napoleon Bonaparte）的率領(lǐng)下入侵處于馬木留克軍事封建集團(tuán)的統(tǒng)治之下埃及。7月，在尼羅河西大金字塔群附近的開闊地上，法軍和馬木留克騎兵展開了歷史上著名的金字塔戰(zhàn)役。馬木留克騎兵損失慘重，法軍大獲全勝。戰(zhàn)后，拿破侖把這兩只軍隊(duì)進(jìn)行對(duì)比，留下著名的論斷：“兩個(gè)馬木留克騎兵絕對(duì)能打贏三個(gè)法國騎兵，一百個(gè)法國騎兵能抗衡一百個(gè)馬木留克騎兵，三百個(gè)法國騎兵大都能戰(zhàn)勝三百個(gè)馬木留克騎兵，一千個(gè)法

5、國騎兵總能打敗一千五百個(gè)馬木留克騎兵?！庇纱丝梢?，馬木留克騎兵給一代名將拿破侖留下的印象是非常深刻的。,馬木留克（Mamluk，又名馬木留克、馬木路克），就是中世紀(jì)埃及各族奴隸出身的軍人。阿尤布王朝組建了一支由奴隸構(gòu)成的馬木路克近衛(wèi)軍。馬木路克騎兵驍勇善戰(zhàn)，1250年與第七次東征的十字軍爭奪開羅，取得了一次非常輝煌的勝利。隨著中央集權(quán)的削弱，他們逐漸成為強(qiáng)大的軍事統(tǒng)治集團(tuán)，阿尤布王朝解體后他們奪取了開羅的政權(quán)，建立了通稱為馬木路克的的蘇丹國。馬木留克王朝的歷代蘇丹多數(shù)是軍人通過軍事政變奪取政權(quán)，對(duì)戰(zhàn)爭有著近乎本能的迷戀，國家不斷陷入戰(zhàn)爭之中，通過與十字軍、蒙古人、土耳其人進(jìn)行的一系列戰(zhàn)爭，馬木

6、路克很快強(qiáng)大起來，版圖一度擴(kuò)張到整個(gè)阿拉伯東方。馬木留克王朝統(tǒng)治埃及達(dá)三百年之久（1250年1517年）最終于1517年在與奧斯曼土耳其帝國的戰(zhàn)爭中失敗，從此滅亡。,(二)物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、環(huán)境、功能是完整規(guī)定和描述系統(tǒng)的四個(gè)基本因素。,現(xiàn)在的問題是系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、環(huán)境 三因素中誰對(duì)系統(tǒng)的功能具有決定性的意義？,答案是系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于決定系統(tǒng)功能，具有更為直接的意義！是決定系統(tǒng)功能的內(nèi)在依據(jù)！,三、系統(tǒng)自然觀的基本思想及重大意義,參見P47-51,1、有人說，“下崗是國企改革的必由之路”，“跳糟是市場經(jīng)濟(jì)的必然產(chǎn)物”，此命題是否真？試用系統(tǒng)理論的相關(guān)觀點(diǎn)分析之。

7、,思考題：,2、你怎樣看系統(tǒng)整體的非加和性？,第三節(jié) 自然界物質(zhì)系統(tǒng)的層次性,一、層次結(jié)構(gòu)的含義及基本特征,自然系統(tǒng)的層次性主要是自然界物質(zhì)系統(tǒng)的縱向聯(lián)系，是物質(zhì)系統(tǒng)之間縱向的或垂直的有序關(guān)系。還包括兩個(gè)方面： 一是系統(tǒng)在某一等級(jí)上又可以分為多側(cè)面的層次，即同一級(jí)的復(fù)雜系統(tǒng)，可從橫向上分為若干互相聯(lián)系、互相制約又各自相互獨(dú)立的平行層次； 二是一個(gè)高度復(fù)雜的自然系統(tǒng)以縱向?qū)哟魏蜋M向?qū)哟螢榛A(chǔ)，還可以構(gòu)成縱橫交錯(cuò)的立體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成交叉層次。,依據(jù)物質(zhì)之間相互作用的性質(zhì)和描述這種作用的不同來劃分。,20世紀(jì)60年代初，日本物理學(xué)家坂田昌一就提出按物質(zhì)系統(tǒng)所具有的不同規(guī)律劃分物質(zhì)層次的思想。將物質(zhì)層

8、次分為：,非生命界： 超玄夸克基本粒子原子核原子分子物體天體星云 ，,生命界： 生物大分子膠體粒子細(xì)胞器官組織個(gè)體種群群落生物圈層次。,二、物質(zhì)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的相關(guān)觀點(diǎn),1、特定物質(zhì)層次結(jié)構(gòu)與特定能量狀態(tài)相適應(yīng)的觀點(diǎn) 任何一個(gè)特定物質(zhì)結(jié)構(gòu)能量只能存在于一定的閾值之內(nèi)，當(dāng)能量超過一定閾值時(shí)，就會(huì)發(fā)生從一個(gè)層次突變到另一個(gè)層次。或一定的物質(zhì)層次與一是能量閾值相適應(yīng)。 了解這一觀點(diǎn)有著重要意義。目前有人宣稱，在生物體這個(gè)物質(zhì)層次上會(huì)有一種新相互作用，可以產(chǎn)生巨大能量，是不正確的。,2、特定物質(zhì)層次系統(tǒng)的尺度與結(jié)合能成反比的觀點(diǎn),對(duì)于一個(gè)具有多層次結(jié)構(gòu)的物質(zhì)系統(tǒng)供給能量，隨著能量的增加物質(zhì)系統(tǒng)的層次一層

9、層地消失，同時(shí)物質(zhì)系統(tǒng)的尺度變小，即物質(zhì)系統(tǒng)變得越來越小。這就是說尺度愈小，結(jié)合能就愈大，結(jié)合的鍵力愈強(qiáng)。,一定物質(zhì)層次的存在適應(yīng)于一定的能量狀態(tài)。物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)合能越大，就越穩(wěn)定。當(dāng)外加能量在數(shù)值上大于這個(gè)結(jié)合能時(shí)，系統(tǒng)就解體，而顯露其內(nèi)部的組成部分，即更深一個(gè)層次的物質(zhì)單元。在繼續(xù)加能的過程中，物質(zhì)系統(tǒng)就被一層層地剝開。相反地，在不斷減能的過程中，物質(zhì)外殼則一層層地套上去，而且后套上去的層次把先前的層次包含在內(nèi)，作為自己的結(jié)構(gòu)成分和從屬要素。這種物質(zhì)系統(tǒng)分解和復(fù)合中的能態(tài)突變，更深刻地反映了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次性。,在人類發(fā)明蒸汽機(jī)以前，人們所利用的風(fēng)力、畜力、水力等基本主是宏觀物體這個(gè)層次的能量

10、。人們發(fā)明推廣了蒸汽機(jī)后，標(biāo)志著人們掌握著分子這個(gè)層次能量；電機(jī)和高壓輸電技術(shù)的發(fā)明使人類掌握了外層電子這個(gè)層次的能量；可控核反應(yīng)的發(fā)明使人類掌握了原子核這個(gè)層次的能量。于是人類就有了工場手工業(yè)時(shí)代、蒸汽機(jī)時(shí)代、電氣電子時(shí)代、核時(shí)代。,3、物質(zhì)形態(tài)多樣性與豐度成反比觀點(diǎn),就是說，物質(zhì)層次愈高，結(jié)構(gòu)功能愈多樣化，而這一層次物質(zhì)系統(tǒng)在宇宙中豐度愈少。比如，原子這一層次系統(tǒng)的種類只有107種，可分子這一層次系統(tǒng)的種類多達(dá)700多萬種，而有機(jī)體種類曾在地球上存在的就有10億種之多。,4、高層次物質(zhì)系統(tǒng)與低層次物質(zhì)系統(tǒng)相互關(guān)系的觀點(diǎn),(1)低層對(duì)高層上向因果關(guān)系 由于高層次系統(tǒng)由低層次系統(tǒng)經(jīng)相干作用而產(chǎn)

11、生，以低層次系統(tǒng)為其基礎(chǔ)和載體，故低層次系統(tǒng)協(xié)同對(duì)高層次系統(tǒng)起到根源作用、原因作用、影響作用，這叫物質(zhì)層次結(jié)構(gòu)上向因果關(guān)系。 于是科學(xué)解釋中就有了還原解釋模型。即用低層次系統(tǒng)的規(guī)律，加上這些規(guī)律在高層次系統(tǒng)中起作用的條件來解釋說明高層次系統(tǒng)現(xiàn)象的邏輯模型。,(2)高層次系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立性,高層次系統(tǒng)一旦產(chǎn)生后，就會(huì)形成新的實(shí)體，引起新的屬性，有新質(zhì)的突現(xiàn)。,（3）高層次系統(tǒng)對(duì)低層次系統(tǒng)的下向因 果關(guān)系,高層次系統(tǒng)對(duì)低層次系統(tǒng)的支配和限制作用，被稱之為下向因果關(guān)系。,現(xiàn)場討論題： 就“物質(zhì)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的相關(guān)觀點(diǎn)”給合你所想到的實(shí)例談淡你的體會(huì)。,第四節(jié) 自然系統(tǒng)的演化發(fā)展,18世紀(jì)中葉以來，隨著近

12、代自然科學(xué)的發(fā)展，關(guān)于自然界歷史演化的觀點(diǎn)開始形成。自然界的歷史性被科學(xué)發(fā)現(xiàn)逐步揭示出來，成為自然界歷史觀產(chǎn)生的科學(xué)前提。 最早把歷史觀引入對(duì)自然界研究的是康德。1755年康德出版了宇宙發(fā)展史概論，提出了關(guān)于太陽系起源的星云假說，這是天文學(xué)史上第一個(gè)比較完整的天體演化學(xué)說。,繼康德之后，賴爾把歷史演化的觀點(diǎn)帶進(jìn)了地質(zhì)學(xué)，提出了地質(zhì)漸變論。這個(gè)學(xué)說使人確信，“不僅整個(gè)地球，而且地球今天地表面以及生活于其上的植物和動(dòng)物，也都有時(shí)間上的歷史?！?1859年達(dá)爾文出版了物種的起源，從科學(xué)的角度提出了生物進(jìn)化論，揭示了整個(gè)生物界的歷史性。,恩格斯在自然辯證法等著作中系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)時(shí)自然科學(xué)的新成就，從不同

13、角度分析了這些成就對(duì)自然界歷史觀確立的重大意義。,一、自然界演化的圖景,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(gè)高溫、高密度的“奇點(diǎn)”。,2、地球的起源和演化,3、生命的起源和進(jìn)化,觀看科教片宇宙與人,視頻資料:億年的演化,點(diǎn)擊圖片啟動(dòng)視頻,二、自然界演化的方向性,1、序、無序、有序、混沌和負(fù)熵流,“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

14、合或運(yùn)動(dòng)的無規(guī)則性和不確定性。,“有序”指的是客觀事物或系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間聯(lián)系、組合或運(yùn)動(dòng)，在空間、時(shí)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。,系統(tǒng)的對(duì)稱性破缺狀態(tài)對(duì)應(yīng)著有序，自然系統(tǒng)的有序化是對(duì)稱性破缺的結(jié)果，正是由于對(duì)稱性破缺才使系統(tǒng)向有序化、組織化、和復(fù)雜化演化。,“混沌”是系統(tǒng)演化的一個(gè)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(jī)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。,“熵”是系統(tǒng)科學(xué)的序的標(biāo)度，熵是無規(guī)律程度的測量，因此負(fù)熵流或信息量是系統(tǒng)有序性或組織性的測度。,2、進(jìn)化與退化的對(duì)立統(tǒng)一 進(jìn)化和退化是

15、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(shí)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)化與退化同生共存。進(jìn)化與退化常常是同時(shí)存在和同步發(fā)生的。它們往往是一個(gè)過程的兩個(gè)方面。理由在于，一個(gè)系統(tǒng)有序程度的提高，需在以負(fù)熵流的引入為代價(jià)，這相當(dāng)于系統(tǒng)把熵增轉(zhuǎn)移到了環(huán)境之中。或者說系統(tǒng)的進(jìn)化是以環(huán)境中某

16、些方面的退化為代價(jià)的。 （3）進(jìn)化與退化相互轉(zhuǎn)化。進(jìn)化過程在一定條件下會(huì)轉(zhuǎn)入退化，而退化過程在一定條件下也可以轉(zhuǎn)入進(jìn)化。,三、自然界演化的自組織機(jī)制,1、自組織 自組織是指沒有外界的特定干預(yù)，在開放的背景下，外部提供一定的條件下，系統(tǒng)的要素按彼此的相干性、協(xié)同性或某種默契，自發(fā)地形成一定結(jié)構(gòu)和功能的過程和現(xiàn)象。 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(jī)制和條件,自組織理論是一個(gè)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(duì)象有很大

17、的差別，但都試圖解決一個(gè)普遍性的問題，即從無序走向有序的條件和機(jī)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） 開放是系統(tǒng)進(jìn)化的先決條件,普利高津指出，一個(gè)系統(tǒng)的熵變（dS）是由兩方面的因素引起的，一個(gè)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(gè)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(duì)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，（dSe）0，所以，dS= dSi 0，這就是克勞修斯提出的熱力學(xué)第二定律。,0,0,0,dse,這里：d

18、si0,對(duì)于開放系統(tǒng)，由于系統(tǒng)和環(huán)境之間存在物質(zhì)和能量的交換，這就會(huì)同時(shí)產(chǎn)生熵的交換，使得dSe 0,系統(tǒng)的總熵變就會(huì)出現(xiàn)以下四種情況：,當(dāng)dSe 0時(shí)，dS0，系統(tǒng)加速走向無序化,當(dāng)dSe 0，且dSedSi，則dS0，系統(tǒng)仍沿著熵增方向走向無序化。,當(dāng)dSe 0，且dSedSi，則dS0，系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)不變。,當(dāng)dSe 0，且dSedSi，則dS0，系統(tǒng)將沿著熵減方向走向有序化。,（2） 非平衡是有序之源 在近乎平衡態(tài)的情況下，即使系統(tǒng)開放，它也會(huì)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(shí)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

19、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)。,因此，開放系統(tǒng)就是借助于外部環(huán)境輸入的負(fù)熵以克服、抵消系統(tǒng)內(nèi)部的增熵。是自然系統(tǒng)自組織得以形成的首要條件,（3） 非線性機(jī)制是系統(tǒng)進(jìn)化的內(nèi)在根據(jù),非線性相互作用是自然演化的內(nèi)在機(jī)制，是具有相干性的耦合，這種耦合使各要素間產(chǎn)生相干效應(yīng)與協(xié)調(diào)動(dòng)作，從而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)要素獨(dú)立性的喪失和新質(zhì)的出現(xiàn)。 那么，系統(tǒng)在怎樣的情況下才能實(shí)現(xiàn)非線性相互作用呢？這就要取決于系統(tǒng)是否遠(yuǎn)離平衡態(tài)。在平衡態(tài)和近平衡態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用是一種線性相互作用，而在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N非線性的機(jī)制，在這種相互作用下，系統(tǒng)表現(xiàn)出對(duì)各種擾動(dòng)的高度敏感性，一個(gè)輕微的擾動(dòng)都可能被系統(tǒng)響應(yīng)、放大而波及整個(gè)系統(tǒng)，從而迫使系統(tǒng)向著某個(gè)新的結(jié)構(gòu)演化。 系統(tǒng)的非線性作用產(chǎn)生的相干效應(yīng)、分岔效應(yīng)、臨界效應(yīng)是系統(tǒng)存在和進(jìn)化的重要前提和基本機(jī)制。,（4） 正反饋放大作用機(jī)制,自然系統(tǒng)進(jìn)入自組織，必須存在一個(gè)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(dòng)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(gè)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(jī)會(huì)，從而吸引