自然界物质的系统性课件

1、自然界物质的系统性自然界物质的系统性 自然界自然界 广义的自然界是指整个宇宙，包括非生命世界、生命世界和人类社会。 狭义的自然界则是指与人类社会相区别的物质世界，即人类社会生活的自然环境。天然自然与人工自然 人工自然 天然自然 自然界的物质性自然界物质形态的多样性与统一性 自然界自然界一、天然自然和人工自然科学所认识的天然物世界技术所创造的人工物世界地球上人工物与天然物的复合一、天然自然和人工自然科学所认识的天然物世界天然自然与人工自然人工自然（三个层次：人工控制的自然、 人工培育的自然、人造自然物） 天然自然（两个层次：人类尚未认识到的那部分自然、人类观测所及但尚未受到人类实践手段影响的那部

2、分自然界）天然自然与人工自然人工自然（三个层次：人工控制的自然、 人（一）、科学所认识的天然物世界宇观世界宏观世界微观世界（一）、科学所认识的天然物世界宇观世界1。宇观世界级宇宙学的标准模型层级式构造 （ 恒星、星系、星系团、超星系团、总星系） 太阳、 太阳系 （九颗行星、60多颗卫星） 银河系 （太阳、两千多亿颗恒星） 本星系群 （银河系、仙女座星系、40多个小星系） 本超星系团 （本星系群、室女座星系团、大熊星 系团、50来个较小的 星系团）1。宇观世界级宇宙学的标准模型层级式构造 太阳系 太阳系 太阳系银河系银河系宇宙起源-大爆炸假说 大爆炸模型认为 , 最初的宇宙是连 10 -25 厘

3、米3 也未充满的超高温、 高密度的 “ 一点 ” 。大约 180 亿年前 , 这 “ 一点 ” 突然爆炸了 , 仅用 10-36 秒 , 伴随着真空相转移的过冷却现象 , “ 一点 ” 做了瞬间几十个数量级的膨胀 , 成为 一厘米 规模的宇宙。其后宇宙继续膨胀 , 温度从几十亿摄氏度开始下降，大约在 5500 万摄氏度时 , 由降温过程的能量 , 生成中子、 质子它们又合为原子核 , 这些过程仅有 3 分钟。宇宙起源-大爆炸假说 大爆炸模型认为 约 30 万年后当宇宙的温度下降到 3000 摄氏度 时 , 自由电子被原子核捕捉形成原子。在随后的大约 3000 万年中那些原子继续外冲 , 宇宙也

4、继续冷却 , 到宇宙温度降至绝对零度之上167K时, 原子开始化合形成稀薄气体。此后因密度波动、 引力作用、部分收缩 , 向新的天体进化。再经过 100 多亿年 , 显示出多种多样的物质形态 , 成了今天的宇宙。 约 30 万年后当宇宙的温度下降到 3000大爆炸模型大爆炸模型 宇宙演化 宇 宙 时 物 质 形 态 宇 宙 时 物 质 形 态 0 秒原始火球大爆炸15.2 109年原始星际云形成10-43 秒时空量子化15.4 109年行星(地球)形成10-3510-30秒宇宙暴胀产生夸克,轻子16.1 109年最老地球岩石形成 10-6秒质子-反质子对湮灭18 109年富氧大气圈形成 1秒电

5、子-正电子对湮灭19 109年生命起源 13分氦合成19.55 109年初期的鱼类12109年星系形成19.6 109年初期的陆地植物4.1 109年第一代恒星形成19.95 109年哺乳动物5 109年类星体诞生,星族恒星20 109年人类起源10 109年星族恒星形成 宇宙演化 宇 宙 时 2。微观世界及粒子物理的标准模型构成 原子、核子、基本粒子粒子之间的相互作用 2。微观世界及粒子物理的标准模型自然界中四种基本的相互作用 引力相互作用-媒介粒子：引力子 / 强度：最弱 / 作用距离：长 电磁相互作用-媒介粒子：光子 / 强度：强 / 作用距离：长 强相互作用-媒介粒子：胶子和介子 /

6、强度：最强 / 作用距离：短 弱相互作用-媒介粒子：中间玻色子 / 强度：较弱 / 作用距离：短自然界中四种基本的相互作用 引力相互作用-媒介粒子粒子物理的标准模型以上述基本粒子的三大家族（夸克、轻子、规范玻色子）和上述三种或四种相互作用为基点，来解释粒子物理观测结果的理论模型，称为粒子物理的标准模型。在此模型中，物理世界由约62种粒子构成，它们通过各类相互作用而形成各种复合粒子，进而再形成各种原子。粒子物理的标准模型以上述基本粒子的三大家族（夸克、轻子、规3。宏观世界及其复杂性构成 非生命宏观世界： 布朗粒子、地面物体、小行星、行星 生命界宏观世界： 生命大分子、细胞、机体、种群、群落 人们

7、已发现存在的动物(含昆虫)就有150多万种； 植物30多万种； 微生物89万种。3。宏观世界及其复杂性构成 宏观世界的复杂性生命界与非生命界的对立 非生命界：经典物理能量守恒、热力学 第二 定律；有转化但单调走向的简单化图景 生 命 界：达尔文进化论；分子生物学；生态学；复杂，有组织 宏观世界的复杂性生命界与非生命界的对立宏观世界的复杂性自组织理论-宏观世界的统一 用随机性、不可逆性、复杂性的观点研究宏观世界。只要条件合适，无论生命界和非生命界，都会发生由无序到有序、由低级到高级的自组织过程。标志着与相对论和量子理论相区别的第三科学发展方向。 耗散结构理论宏观世界的复杂性自组织理论-宏观世界的

8、统一（二）技术所创造的人工世界人工物 人们有意识的运用技术手段重组天然物所 形成的人工制品人工物的分类 实物系列-物质流和能量流 符号序列-信息流（二）技术所创造的人工世界人工物1。人工物的实物序列生产资料消费资料还原资料 污水处理、净化除尘、工业和民用垃圾处理等设施 自然生态系统的稳定性：负反馈调节机制、自补偿机制和物质循环中的降解机制1。人工物的实物序列生产资料 2。人工物的符号序列符号 人工性：物理模式、指代意义 三要素：符形、符义、符码语言符号和非语言符号 语言符号：强生成性；记载、理解和推理工具 非语言符号：读图时代符号的生产、存储、和传输系统 存储系统：“文化基因” 因特网：互动；

9、虚拟 2。人工物的符号序列符号符号三要素符形-物理模式符义-指代意义符码-指代规则： 集中体现符号的人工 性，它通过地区、民族、共同体的约定而形成，异常多样。 例子：CCTV； BBC； VOA MP； PMP； MPMP； PMPMP符号三要素符形-物理模式3。物质流、能量流、信息流人工物世界被塑造为信息流调节下的 物质能量 的社会循环 信息流的物理机制 不存在守恒限制；富集效应3。物质流、能量流、信息流人工物世界被塑造为信息流调节下的 （三）地球上人工物与天然物的复合物质流和能量流的流动循环低效用与高效用的重新组合 效用分析： 边际效用分析法 无差异分析法可能性与可行性的有效统一（三）地球

10、上人工物与天然物的复合物质流和能量流的流动循环物质联系的系统方式科学中的系统思想系统的规定系统中的新质突现系统的稳定性物质联系的系统方式科学中的系统思想一节、科学中的系统思想一、对简单事物的研究：系统观念不必要 “原子主义” 重视个体，轻视关系和整体“钟表”模型一节、科学中的系统思想一、对简单事物的研究：系统观念不必要“二、对复杂而无组织事务的研究：系统观念不可少经典热力学 宏观 统计规律系统演化不可逆 方向： 从不均匀到均匀，从非平衡到平衡，从有差异到差异消失-组织消失，结构解体。 重视宏观量所描述的整体“逐渐慢下来的发动机”模型二、对复杂而无组织事务的研究：系统观念不可少经典热力学“逐三、

11、对复杂而有组织事物的研究： 系统观念充分展开一般系统论 秩序、组织、整体性、目的性自组织理论 生命与非生命系统的统一 内部的耦合、关联、长程相干等非线性作用重视整体和由之构成的相互作用“艺术”和“雕塑”模型三、对复杂而有组织事物的研究： 系统观念充分“拉面女神”。一进长安大学大门，你就会看见一个名为“青春彩虹”的雕像，当然，在长安大学的学生中，都喜欢称之为“拉面女神”。 “拉面女神”。一进长安大学大门，你就会看见一个名为“青春彩虹从西北政法的正门进去，有一巨大雕像映入眼帘，那就是著名的“要复仇”。从西北政法的正门进去，有一巨大雕像映入眼帘，那就是著名的“要自然界物质的系统性自然界物质的系统性二

12、节、系统的规定系统 在一定环境条件下由相互作用着的若干要素所构成的有特定功能的整体要素结构环境功能系统论创始人二节、系统的规定系统系统论创始人系统论20世纪40年代，由于自然科学、工程技术、社会科学和思维科学的相互渗透与交融汇流，产生了具有高度抽象性和广泛综合性的系统论、控制论和信息论。系统论是研究系统的模式、性能、行为和规律的一门科学。它为人们认识各种系统的组成、结构、性能、行为和发展规律提供了一般方法论的指导。 系统论的创始人是美籍奥地利理论生物学家和哲学家路德维格贝塔朗菲。系统论20世纪40年代，由于自然科学、工程技术、社会科学和思要素特指构成系统的基本组元，而不进一步追溯组元的组成。要

13、素分析的描述性 属性、能接受什么输入，提供什么输出，可建立什么关系。不关心属性的实体。要素特指构成系统的基本组元，而不进一步追溯组元的组成。结构结构：各种要素之间关系的总和。包括数量结构、空间结构、时间结构和相互作用结构。要点：阐明要素之间的相互作用，进而用这种相互作用揭示其数量结构和时空结构，达到对结构的完整理解。结构结构：各种要素之间关系的总和。包括数量结构、空间结构、时结构相互作用：通过物质、能量、信息的交换而实现；结构的本质上是物质、能量、信息的交换方式。交换：有差异、不对称。结构就意味着差异、非平衡和对称破缺。结构环境原则上，凡是与系统发生相互作用而又不属于系统的所有事物。一般指直接

14、与系统相互作用的诸因素。环境与系统的关系：物质、能量、信息环境的选择机制 地球的特殊环境软控制：通过控制环境而使系统行为自发变化。环境原则上，凡是与系统发生相互作用而又不属于系统的所有事物。地球的特殊性地球的特殊性功能功能：系统在与环境相互作用中所表现出的整体性能。功能不能还原为要素属性的叠加。功能以结构为载体，是要素相互作用的宏观结果。结构蕴含着功能的可能性，环境则把可能变为现实。功能功能：系统在与环境相互作用中所表现出的整体性能。功能“同功系统”或“相似系统”功能：要素、结构、环境共同决定的一种整体属性。内部解释；外部解释；还原主义；单值决定论；环境决定论；功能三节、系统中新质的突现新质:

15、 系统的功能突现： 外部条件环境， 内部根据系统中的相干性，独立性与相干性基于相干性的新质突现三节、系统中新质的突现新质: 系统的功能独立性与相干性 独立性：整体等于部分之和 相干性：每个要素的活动方式不仅与自己相关，更与其它要素相关。 独立性与相干性相干性的特点： 交互影响 ：约束 交叉效应 相机 胶卷 空调 风扇 单因单果的线性关系已经不存在相干性的特点： 相干性的特点：长程相干：协同 “分子通信”机制或“扩散”机制 长程传递 ： 拟制收敛-自稳机制 长程放大-演化机制 例如：电流（电位非平衡），食物链（能量级的差异）相干性的特点：长程相干：协同相干性的特点：反馈调节 ：强化（自稳；演化）

16、 相干性的复杂形式-反应环 （正、负反馈）“反映环”：相干关系中，一个要素所引起的其他要素的变化会反过来影响自身。 两个以上的反应环再构成新的反应环-超循环 例如：DNA-蛋白质-能量和酶促 相干性的特点：反馈调节 ：强化（自稳；演化）基于相干性的新质突现约束限制：交互影响 自由度的减少；活动方式的定向化交互影响的各方构新的活动方式功能 （调整要素的活动方式-秩序和规律）基于相干性的新质突现约束限制：交互影响基于相干性的新质突现协同一致：长程相干 非线形协同一致，有序的集体活动模式 序参量：集体活动模式有序程度，新质反馈：对约束和协同的强化 与相关性无关的要素：整体等于部分之和基于相干性的新质

17、突现协同一致：长程相干系统的稳定性 在一定范围内抗拒干扰，保持不变的功能，才是真正形成了新质稳定与涨落稳定的形成 稳定的范围稳定性的效用分析系统的稳定性 在一定范围内抗拒干扰，保持不变的功能，才是稳定与涨落稳定：对涨落的不变性；平均值；定态涨落：瞬时值对平均值的偏离；新活动模式不稳定状态：涨落随时间而放大，定态一去不返渐进稳定态：涨落随时间衰减，定态复原稳定状态：涨落在定态容许的范围内随时间而震 荡，定态能够保持 稳定系统：不会出现无限制的发散稳定与涨落稳定：对涨落的不变性；平均值；定态稳定性的形成控制论自稳控制系统： 负反馈调节 定态耦合 耦合是指两个实体相互依赖于对方的一个量度。 代偿机制

18、包含非线性相互作用的系统，其动力学方程都有多重解，不稳定解对应不稳定状态，稳定解对应稳定状态，只要外界条件具备，由稳定解表示的稳定态都可以出现。稳定性：系统内的相互作用+系统与环境的相互作用稳定性的形成控制论控制论人们研究和认识系统的目的之一，就在于有效地控制和管理系统。控制论则为人们对系统的管理和控制提供了一般方法论的指导，它是数学、自动控制、电子技术、数理逻辑、生物科学等学科和技术相互渗透而形成的综合性科学。 控制论的思想渊源可以追溯到遥远的古代。控制论作为一个相对独立的科学学科的形成却起始于本世纪2030年代，而1948年美国数学家维纳出版了控制论一书，标志着控制论的正式诞生。几十年来，

19、控制论在纵深方向得到了很大发展，已应用到人类社会各个领域，如经济控制论、社会控制论和人口控制论等。 控制论人们研究和认识系统的目的之一，就在于有效地控制和管理系维纳维纳是美国数学家，控制论的创始人。维纳1894年11月26日生于密苏里州的哥伦比亚，1964年3月18日卒于斯德哥尔摩。 1947年10月，维纳写出划时代的著作控制论，它揭示了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律；为现代科学技术研究提供了崭新的科学方法；它从多方面突破了传统思想的束缚，有力地促进了现代科学思维方式和当代哲学观念的一系列变革。 维纳维纳是美国数学家，控制论的创始人。维纳1894年11月2稳定性的范围微涨

20、落 渐进稳定或稳定巨涨落 原有结构解体，新结构出现 贝纳德花样微涨落-非线性机制-长程传递-巨涨落稳定性的范围微涨落 渐进稳定或稳定贝纳德（Benard）对流 1900 年贝纳德发现了对流有序现象，他在一个圆盘中倒入一些液体。当从下面加热这一薄层液体时，刚开始上下液面温差不太大，液体中只有热传导。微涨落 稳定但当上下液面温差 T 超过某一临界值 Tc 时，对流突然发生，并形成很有规律的对流花样。从上往下俯视，是许多像蜂房那样的正六角形格子（见下图）。中心液体往上流，边缘液体往下流，或者相反。这是一种宏观有序的动态结构。巨涨落 稳定了的巨涨落贝纳德（Benard）对流 1900 年贝纳德发现了对

21、流有序贝纳德花纹贝纳德花纹消泡剂 8010 德亿 具有防止起泡、消微泡、脱泡的功能促进流平，防止缩孔，对增进漆膜的光泽有极优异的效果提高抗粘连性，改善触感，增加表面滑爽，从而提高涂膜的抗划伤性和耐磨损性可阻止贝纳德旋涡发生. 上海德亿化工有限公司 消泡剂 8010 德亿 具有防止起泡、消微泡、脱泡的功能促消泡剂 8010 德亿 消泡剂 8010 德亿 加热硅油产生的贝纳德图样加热硅油产生的贝纳德图样“魔鬼”的照片在911恐怖事件发生之后，流传最广的莫过于一张所谓“魔鬼”的照片。（如图）从世界贸易中心冒出的滚滚浓烟中竟然有一张古怪的脸或者说，像“脸”的图案。那张图片是美联社公布的，他们保证那是一

22、张真正的照片，没有经过任何的加工处理。 “魔鬼”的照片在911恐怖事件发生之后，流传最广的莫过于一张自然界物质的系统性自然界物质的系统性解释浓烟中出现的“脸”并不比其他图案更加有规律那是人为的概念。另一方面，如果说有规律，自然界中本身就有很多有规律的事物，比如雪花。从显微镜下观察，雪花比你想象的还要复杂、还要有规律。又如贝纳德图样，这是一种耗散结构图样。均匀加热硅油能够产生这种图样。毫无疑问，硅油是相当单纯的物质，然而却能产生如此复杂的甚至让人感到非自然的图案，这一点也不比烟雾中的魔鬼逊色。曼德勃罗（Mandelbrot）分形图案是另外一种令人惊奇的图案，它可以与任何艺术家的作品相比拟，但是它

23、显然与超自然力无关。解释浓烟中出现的“脸”并不比其他图案更加有规律那是人为的曼德勃罗教授：魔鬼的聚合物.曼德勃罗集是人类有史以来做出的最奇异,最瑰丽的几何图形.这个点集均出自公式:Zn+1=Z2n+C,这是一个迭代公式,式中的变量都是复数.这是一个大千世界,从他出发可以产生无穷无尽美丽图案,他是曼德勃罗教授在二十世纪七十年代发现的.曼德勃罗教授称此为魔鬼的聚合物.为此,曼德勃罗在1988年获得了科学为艺术大奖.请看如下的图形产生过程,其中后一个图均是前一个图的某一局部放大: 曼德勃罗教授：魔鬼的聚合物.曼德勃罗集是人类有史以来做自然界物质的系统性自然界物质的系统性曼德勃罗（Mandelbrot）分形图案曼德勃罗（Mandelbrot）分形图案自然界物质的系统性自然界物质的系统性自然界物质的系统性自然界物质的系统性自然界物质