三自然界的系统演化ppt课件

1、 1 可逆与不可逆假设系统从某一形状变到另一形状后，可以再回复到原来的形状，并且同时使系统的环境也回复到原状，这样的过程就是可逆过程。 二 自然界的系统演化一 可逆性与不可逆性能否有时间箭头)2自然界的演化过程是可逆还是不可逆的？存在物理学与演化物理学存在物理学：时间是从外部描画运动的一个参量，它的变化并不影响运动的性质，因此也无法从运动性质来判别时间。如牛顿力学 、相对论、量子力学F=mdr/dt 把t t，方程方式不变，对时间反演对称，意味时间无方向性演化物理学：时间不再是描画系统运动的外在参量，而是和系统的演化相联络的，从而是有物理内容的时间。热力学中的傅立叶方程T(xt)t=-T(xt

2、)x把t t，方程方式变化，时间反演不对称或对称性破缺，意味时间方向性 在科学史上，有许多科学家都把不可逆性看在科学史上，有许多科学家都把不可逆性看作是近似的结果，或看作主体观念向物理世界的入作是近似的结果，或看作主体观念向物理世界的入侵。侵。 例如，爱因斯坦以为，不可逆性只是一种例如，爱因斯坦以为，不可逆性只是一种幻觉，一种客观印象，他说：幻觉，一种客观印象，他说：“在物理学的根本定律在物理学的根本定律中没有任何不可逆性，他必需接受这样的思想：客中没有任何不可逆性，他必需接受这样的思想：客观的时间，连同它对观的时间，连同它对如今如今的强调，都是没有任何客的强调，都是没有任何客观意义的。观意义

3、的。“就我们这些受人们信任的物理学家而就我们这些受人们信任的物理学家而言，过去、如今和未来之间的区别只是一种幻觉，言，过去、如今和未来之间的区别只是一种幻觉，然而，这种区别依然继续着。玻恩也曾经断言：然而，这种区别依然继续着。玻恩也曾经断言：“不可逆性是无知介入物理学根本定律的后果。不可逆性是无知介入物理学根本定律的后果。我们越是深化地分析时间的自然性质,我们就越加懂得时间的延续性意味着发明,就意味着新方式的发明,就意味着一切新颖事物延续不断地产生. 普里高津 实践上，自然界根本没有绝对的、无条件的实践上，自然界根本没有绝对的、无条件的可逆变化，可逆只是一种理想化的产物，是在可逆变化，可逆只是

4、一种理想化的产物，是在略去某些变化不计的情况下的一种科学笼统。略去某些变化不计的情况下的一种科学笼统。 例如，只需忽略掉磨擦，才有理想的单例如，只需忽略掉磨擦，才有理想的单摆，只需忽略其他天体对地球的影响，以及地摆，只需忽略其他天体对地球的影响，以及地球本身的复杂性，才有严厉周期性的地球公转；球本身的复杂性，才有严厉周期性的地球公转；只需忽略掉热的耗散，才有理想的卡诺循环。只需忽略掉热的耗散，才有理想的卡诺循环。 但对于详细的过程来说，不可逆过程但对于详细的过程来说，不可逆过程也往往包含着某些可逆的要素也往往包含着某些可逆的要素 功热转化在能量档次上是不可逆的，但转功热转化在能量档次上是不可逆

5、的，但转化才干却有可逆性；化学反响在总体上是化才干却有可逆性；化学反响在总体上是不可逆的，但生成物依然可以复原为反响不可逆的，但生成物依然可以复原为反响物；生长发育和衰老是不可逆过程，但机物；生长发育和衰老是不可逆过程，但机体的协调性和组织性却阅历着由低到高和体的协调性和组织性却阅历着由低到高和由高到低的过程由高到低的过程 也许是基于这种思索，普里戈津强调，无也许是基于这种思索，普里戈津强调，无论可逆或不可逆都不是独一普适的过程，论可逆或不可逆都不是独一普适的过程，在一个多元化的世界中，可逆性与不可逆在一个多元化的世界中，可逆性与不可逆性是并存于现实之中的。因此，对我们来性是并存于现实之中的。

6、因此，对我们来说，重要的不是找出简单纯粹的可逆性与说，重要的不是找出简单纯粹的可逆性与不可逆性，而是要讨论现实事物中终究包不可逆性，而是要讨论现实事物中终究包含哪些可逆与不可逆的要素，它们对物质含哪些可逆与不可逆的要素，它们对物质世界的演化开展起着怎样的作用。世界的演化开展起着怎样的作用。二自然界演化的方向性：进化或退化1概念进化普通是指物质客体演化中由无序到有序、由低序到高序的趋势和过程或复杂性和多样性的增长。退化般是指物质客体演化中由有序到无序、由高序到低序的趋势和过程。 序是对系统内部各要素之间的联络及演化过程性质的描画，它表征着系统的组织程度。 度量参量：熵、信息量、序参量 热力学对演

7、化过程的提示：卡诺原理：温度平衡过程必导致做功能够性的丧失热力学第二定律： 汤姆逊：不能从单一热源取热全部转化 为 功而不产生其它影响。 克劳修斯：热不能够从低温物体流向高温物体而不产生其它影响2 科学实际对时间箭头指向的回答可以证明，只需有热量从高温物体流向低温可以证明，只需有热量从高温物体流向低温物体，系统的熵就会添加。熵的变化就成为物体，系统的熵就会添加。熵的变化就成为可逆过程与不可逆过程差别的一种判据。可逆过程与不可逆过程差别的一种判据。 用熵表述为：用熵表述为： 一个孤立系统的熵总趋于增大熵增定律一个孤立系统的熵总趋于增大熵增定律用熵表述为： 一个孤立系统的熵总趋于增大熵增定律熵：本

8、义是表征系统的形状 宏观意义表征系统能量分布的均匀程度 能量平均形状是熵值到达最大的形状 微观意义表征系统内部粒子的无序程度调查热力学能量从有效到无效形状的转化从较高集中程度向较低集中程度的转化从有序形状向无序形状的转变熵的概念使热力学第二定律超出于热力学被熵的概念使热力学第二定律超出于热力学被推行到更加广泛的领域。推行到更加广泛的领域。熵实际在物理学中第一次真正触及到自然界熵实际在物理学中第一次真正触及到自然界开展的不可逆性问题开展的不可逆性问题熵实际运用于整个宇宙，提出以熵实际为根底的宇宙实际。 赫尔姆霍兹提出宇宙热寂说：宇宙不断变冷或热，一切有用的能量最后都转化为热，宇宙最终要处于温度均

9、匀的形状，一切的自然过程都将停顿。 宇宙的热寂相当于永久的安静。一旦宇宙到达热寂，宇宙将呈现一幅惨淡的景象能量在那里还是有的，但它曾经丧失了它全部的转化才干，它曾经不能迫使宇宙任务，我们将停留在死寂的但能够是暖和的宇宙中。琼斯 在一个非常真实的意义上，我们都是这个在劫难逃的星球上的失事船只中的旅客。-维纳 生物进化论的演化方向： 从简单到复杂 对热力学第二定律与生物进化论的矛盾的处理 麦克斯韦妖的提出试图处理两者的矛盾 齐拉德证明妖是一个有智力的存在物，妖的才干的获得涉及信息的交换、传送和熵的变化提出负熵 的概念 薛定谔：一个开放系统，可以不断的从外界获得并积累能量，即能产生负熵。有机体如此

10、dS=deS+diS式中，deS称熵流，可为正，也可为负，也可为零，diS是内部的熵产生，这部分绝对不会为负，即diS0。孤立系统 des0，dsdis0，熵增 封锁系统 des0，ds0，熵增开放系统 des0，且desdis，那么ds0 熵减耗散构造实际 在自然界中进化和退化这两种演化方向都存在它们都具有一定的普遍性，但都不是独一普适的景象。3 进化和退化的一致性 进化与退化相互包含以进化为主的过程往往内在地包含着退化。同样，以退化为主的过程也经常内在地包含着进化。 进化与退化同存共生进化与退化经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。 进化与退化的相互交替 进化与退化往往

11、是交替进展相互转化的。进化过程在一定条件下会转入退化。退化过程在一定条件下也可以转入进化。 世界图景的多元格局无时间性图景有时间性图景向高熵开展向低熵开展 近代形而上学自然观竭力把自然界描画为一近代形而上学自然观竭力把自然界描画为一架机器，靠架机器，靠“第一次推进开场运转，其发生和第一次推进开场运转，其发生和开展的根据和动力都是在外部，没有外来动力它开展的根据和动力都是在外部，没有外来动力它根本不会发生变化。假设自然界的演化是他组织根本不会发生变化。假设自然界的演化是他组织的，假设自然界的各种物质系统的构成是外界强的，假设自然界的各种物质系统的构成是外界强加给自然界的，那就必然会追溯到加给自然

12、界的，那就必然会追溯到“全知全能的全知全能的上帝，乞灵于神明的主宰了。而辩证唯物主义上帝，乞灵于神明的主宰了。而辩证唯物主义自然观那么以为，自然界的演化是自然观那么以为，自然界的演化是“本人运动本人运动的结果，是事物的本身矛盾的表现，自组织性是的结果，是事物的本身矛盾的表现，自组织性是自然界各种演化过程的本质属性。正是在这一点自然界各种演化过程的本质属性。正是在这一点上，两种演化观构成了明显的分野。上，两种演化观构成了明显的分野。三 自然演化的自组织机制 非平衡自组织实际关于系统走向有序即系统构成有序构造的根据和条件的论述，对于了解普通进化的条件是极有意义的耗散构造实际构成的条件(1)系统处于

13、远离平衡的形状。(2)系统必需是一个开放系统，即系统内外环境之间要有物质、能量、信息的交换与流通，并且必需使系统从外部输入的负熵流绝对值大于系统内部的熵产生，从而使系统的熵逐渐减小 3构成有序构造的各要素之间存在着非线性的相互作用。这种相互作用使各要素间产生l 相关效应与协调动作，从而可以使系统从杂乱无章变为井然有序。l 分支效应 使系统产生多个能够的分支在一个确定参量下，线性方程只需一个特解，非线性方程在一个确定的参量下，可以同时有多个特解，对应于系统的多个定态l 产生临界效应(4) 涨落是系统进化的诱因 非线性相互作用使系统演化产生多个能够的分支，面临多向选择，那么，怎样才干完成对不同演化

14、途径的选择，终究哪一种演化途径才干成为现实？这关键的一步是经过随机的涨落来完成的。 所谓涨落，是指系统中某个变量或行为对统计平均值的偏离。 系统中存在涨落是不可防止的，它是一真实践系统固系统中存在涨落是不可防止的，它是一真实践系统固有的特征。有的特征。 比如流体中液滴的随机运动；原子的受激跃迁和自发比如流体中液滴的随机运动；原子的受激跃迁和自发辐射；反响物浓度的随机动摇等。这些涨落可由系统内辐射；反响物浓度的随机动摇等。这些涨落可由系统内部的不规那么运动引起，也可由环境不可控的干扰引起。部的不规那么运动引起，也可由环境不可控的干扰引起。 “涨落导致有序涨落导致有序 涨落所起的作用与系统所处的形

15、状有关。涨落所起的作用与系统所处的形状有关。 当系统处于稳定时，涨落还仅仅是一些小的当系统处于稳定时，涨落还仅仅是一些小的干扰而已，它会由于系统本身的抗干扰才干而逐干扰而已，它会由于系统本身的抗干扰才干而逐渐衰减，从而使系统回到原来的形状。渐衰减，从而使系统回到原来的形状。 但是，假设系统处于远离平衡的不稳定态，但是，假设系统处于远离平衡的不稳定态，即在临界点附近，微小的涨落才会得以放大，变即在临界点附近，微小的涨落才会得以放大，变成具有宏观尺度的成具有宏观尺度的“巨涨落，从而使系一致下巨涨落，从而使系一致下子跃迁到一个新的有序形状，这就是子跃迁到一个新的有序形状，这就是“涨落导致涨落导致有序

16、的情况。有序的情况。 “涨落导致有序的这种作用阐明了进化是一涨落导致有序的这种作用阐明了进化是一个偶尔性与必然性相互影响的过程。个偶尔性与必然性相互影响的过程。 在接近临界点的地方，系统呈现出很大的起在接近临界点的地方，系统呈现出很大的起伏，系统好象在各种能够的演化方向之间伏，系统好象在各种能够的演化方向之间“犹疑犹疑不决不决 。一个小的起伏可以引起一个新的变化，。一个小的起伏可以引起一个新的变化，它将猛烈地改动宏观系统的整个行为。它将猛烈地改动宏观系统的整个行为。 5 正反响推进系统走向有序。负反响往往会使系统的变化衰减，而正反响那么会使系统的变化被放大和加剧，从而推进系统的量变，加速系统自

17、复制自组织的过程，使要素微观协同产生出宏观次序。耗散构造机理图构造功能涨落非平衡自组织实际的这些成果，对如何普通地了解进化的条件和根据提供了有益启示 系统中的相互作用是系统进化的根本根据外部获得物质和能量是系统进化的根本条件 内部涨落是系统进化的直接诱因 在与环境的交换中，经过自组织构成耗散构造，即远离平衡的非线性区构成的，并且以能量的耗散来维持本身稳定性的，不以外界的微小扰动而消逝的稳定的宏观有序构造。如贝纳德花纹 耗散构造： 退化是物质系统演化的另一种方向和趋势。退化是物质系统演化的另一种方向和趋势。系统为什么退化？这同样是一切演化实际应该系统为什么退化？这同样是一切演化实际应该回答的一个

18、问题。回答的一个问题。 关于孤立系统的退化，显然可以用熵增规关于孤立系统的退化，显然可以用熵增规律进展解释。但是，关于开放系统的退化又如律进展解释。但是，关于开放系统的退化又如何解释呢？当代混沌学、非线性科学等系统科何解释呢？当代混沌学、非线性科学等系统科学的研讨，为我们了解从有序向无序的转化开学的研讨，为我们了解从有序向无序的转化开启了一个窗口。启了一个窗口。通往混沌的道路 一个非线性系统从有序态通往混沌的道路有许多条，目前研讨得比较充分的主要有以下三条：1倍周期分岔 系统运动变化的周期行为是一种有序形状。但在一定条件下，系统经过周期加倍，会逐渐丧失周期行为而进入混沌。0N混混 沌沌 区区2阵发混沌 阵发混沌是指系统从有序向混沌转化时，在非平衡非线性的条件下，某些参数的变化到达一定的阈值时，系统就会出现时而有序、时而混沌的随机振荡。有关参数继续变化，