自然界的物质及其存在方式

第三章自然界的物质及其存在方式

——现代科学视野中自然界的存在图景刘冠军（首都经济贸易大学马克思主义学院）

恩格斯的三句话：1“当我们深思熟虑地考察自然界或人类历史或我们自己的精神活动的时候，首先呈现在我们眼前的，是一幅由种种联系和相互作用无穷无尽地交织起来的画面，其中没有任何东西是不动的和不变的，而是一切都在运动，变化，产生和消失。”《反杜林论》2自然界的物质“不仅有相互邻近的历史，而且也有先后相继的历史。”《自然辩证法》3“自然界不仅存在着，而且生成着或消逝着。”《自然辩证法》恩格斯的三句话至少包含了两层涵义：第一，自然界“是一幅由种种联系和相互作用无穷无尽地交织起来的画面”。自然界中的物质，在空间上有“相互邻近”的历史。——这是本章要阐释的内容第二，自然界中“没有任何东西是动的和不变的，一切都在运动、变化、产生利消失”。自然界中的物质，在时间上有“前后相继”的历史。——这是下一章要阐释的内容第三章自然界的物质及其存在方式

——现代科学视野中自然界的存在图景

本章主要是从空间的角度对自然界考察的结果主要有两个问题：1自然界存在着的“是什么”？2自然界是“怎样”存在着的？分为四节的内容：第一节自然界的物质及其形态——回答第一个问题第二节自然界物质联系的系统方式第三节自然界的层次结构回答第二个问题第一节自然界的物质及其形态

——自然界的物质观或物质自然观内容：一、自然界的物质及其根本特性二、自然界物质形态的多样性三、自然界物质形态的统一性四、物质不灭原理一、自然界的物质及其根本特性1自然界存在着的是什么？辩证唯物主义的答案——物质2自然界物质的根本特性是什么？列宁在《唯物主义和经验批判主义》一书，在给“物质”下定义的时候，给出了明确的答案。“物质是标志客观实在的哲学范畴，这种客观实在是人通过感觉感知的，它不依赖于我们的感觉而存在，为我们感觉所复写、摄影、反映。”第一，列宁的“物质”概念肯定了物质的最根本特性——客观实在性肯定了自然界物质的客观实在性，其意义在于：一方面，肯定了物质对于意识根源性，物质的第一性、本原性另一方面，肯定了意识对物质的依赖性，意识的第二性、派生性对自然科学来说，意义重大自然界物质是自然科学的基础，是不依赖自然科学是否对它研究而存在的——这是进行自然科学研究的最基本的范式或思想。爱因斯坦：“相信有一个离开知觉主体而独立存在的外在世界，是一切自然科学的基础”。月亮不管有无人观察它，基本粒子不管有无人研究它，它都存在着第二，列宁的“物质”概念，肯定了自然界物质的根本特性之二——可知性。自然界中的物质，不管人们感觉是否能够直接感知它们，它们都具有可知性，都是可以被人们所认识的。如，眼睛的视觉波段是，在“可见光”范围内，“红橙黄绿青蓝紫”，而其它波段，可以借助于其它仪器，照样能够研究它。如，人们制成的射电望远镜，就能观察在“可见光”范围之外的其他波段，因此天文学在20世纪60年代有四大发现——脉冲星、类星体、微波背景辐射、星际有机小分子第三，列宁的“物质”概念揭示了自然界物质的客观实在性、可知性，是一切物质形态的共性——具有最高的抽象性、普遍性不管是自然界中被人们认识到的物质，还是自然界中尚未被人们认识到的物质，都具有这两性二、自然界物质形态的多样性自然界存在着的是物质，而自然界物质显现出来的是什么呢？是物质形态自然界的物质形态首先表现出无限多样性——这是物质根本性质的具体展开，是根本属性的具体化对于“自然界物质形态的多样性”可以从不同的角度，用分类的方法去把握它。在此，介绍三种分类方法宏观自然界微观自然界太阳系、恒星、恒星团、星系（银河系、河外星系）、星系团，超导系团、类星体、总星系等。其中，恒星包括：红外星、主序星、红巨星、高密星体（白矮星、墨矮星、中子星、墨洞）等。星系包括：棒状星系、椭圆球体星系、旋涡星系、不规则星系等。自然界非生命界生命界动物界——目前地球上已知的动物大约有150万种植物界——据今所知，生存的植物达30多万种

微生物界——主要是一些细菌、病毒等

地球及其上的各种物质形态

地核、地幔、地壳、大气圈、水圈、岩石圈等

太阳系及其中的各种物质形态“我们的宇宙”中的各种物质形态太阳、九大行星、慧星、数量达2000多颗的小行星、星云（弥漫在宇宙空间的尖埃）等分子——由原子组成，包括单原子分子、双原子分子、多原子分子等原子——原子核与电子组成，原子核——质子与中子组成基本粒子——包括：重子类、轻子类夸克，等——上夸克，下夸克，奇异夸克及它们的反夸克

种类繁多结构复杂形态多样1.根据有无生命、规模等进行分类：2.根据其状态的不同，被划分为六态:固态：石头、铁块多种晶体液态：常温下的水、高温下的铁、钢等气态：大气、水蒸汽等离子态：当气态物质温度高达几千度时，气体原子中的电子脱离原子，使原子成为带电的离子，这种气体就是等粒子体。超密态：也称为超固态，各种高密星体、中子星。中子星密度达：1014~1015

克/厘米3矮星的密度为：105~108克/厘米3真空场：称为基态的量子场有人认为还有第七种态：反物质态如基本粒子的反粒子3、根据是否具有连续性，分为两类：实物粒子：是自然界以不连续的、间断的形式存在着的物质形态大到天体：地球及以上的物质，太阳系，银河系、河外星系、星系团……总星系小到基本粒子：分子、原子、原子核、核子……场：是实物粒子周围存在的一种特殊物质，是自然界以连续的、不间断的形式存在着的物质形态

电场、磁场、引力场、介子场等场是法拉第提出的。将“场”定义为：它是“以太的紧张状态，如同被压缩或拉伸的弹簧一样。”这是一种不科学的定义，因为：以太不存在；比喻性、拟人化的解释实际上，场与实物粒子相对应，是实物粒子周围连续存在物质形态。它也是自然界物质的一种基本形态，因为：a、场也有质量、能量、动量等基本属性b、赫兹在19世纪通过实验证明了电磁场的存在c、麦克斯韦考察：场也是一种客观存在d、电磁场除波动性外，还有粒子性场和实物粒子的区别：实物粒子场具有静止质量只有运动质量而无静止质量实物粒子的速度不能超过光速，且小于光速（爱因斯坦将它作为狭义相对论的一个结论）场的速度是一个定值，等于光速3×108m/s。（爱因斯坦将狭义相对论的一个基本原理）实物粒子的速度随着参考系的不同而变化场的速度不受参考系的影响实物粒子有一定的体积场弥漫于整个宇宙空间实物粒子具有不可入性场具有叠加性三、自然界物质形态的统一性

1.自然界的物质形态在化学元素上的统一性；⑴天与地在化学元素上具有统一性即构成地球上物质的化学元素与构成天体的化学元素是相同的。对地球上物质的化学元素的认识，归功于近代的化学对天体化学元素的研究，首先归功于19世界诞生的光谱分析法。光谱分析法：说明组成太阳、行星的元素与地球上是相同的。当时发现“氦”，被命名为“太阳上的元素”，后来在地球上也发现了。20世纪以后，随着射电天文学、空间科学技术的发展，对恒星、银河系、河外星系等的化学元素的分析发现：发现，它们的化学组成与地球上也是一样的。⑵生命界和非生命界在化学元素上具有统一性即构成生命体的化学元素与构成非生命体的化学元素是相同的。现代科学已以揭示出，组成生命的主要元素：C、H、O、N、P、S、Cl、Na、K、Ca、Mg、Fe、最多，占98%。而还有一些微量元素：锗、硒等，不是1%这些元素与构成非生命体、无机体的化学元素是一样的2.自然界的物质形态在基本粒子层面上的统一性——这是在微观层次上的统一性人们对微观世界的认识经历了一个漫长逐步深入的过程。19世纪，道尔顿的原子论、阿弗伽德罗的分子学说，坎尼扎罗的原子—分子学说20世纪初，随着原子物理学的创立，人们探讨原子的内在结构。如汤姆生的原子均匀模型、卢瑟福的原子有核模型、玻尔的原子结构模型此后，人们又深入到原子核的内部。如海森堡和伊凡宁柯提出原子核的结构理论。20世纪以后，基本粒子被越来越多地发现，创立了基本粒子物理学。现在人们已经发现了四百多种基本粒子。为了探讨这些基本粒子的结构，创立了各种“强子”模型：“费米—杨振宁”模型、“板田复合”模型、“夸克”模型、“层子模型”等这样，自然界的物质形态在夸克、层子等基本粒子层次上的统一性，因为这些物质形态都是（夸克、房子）组成的3.物质守恒、能量守恒及物质与能量的内在联系，揭示了自然界物质形态的统一性包含了三个方面：⑴各种实物粒子之间的转化以及在质量、电荷等方面的守恒性（物质守恒），从实物粒子角度证明了自然界物质形态的统一性化学领域：水→氢气+氧气表明：物质形态转化，但总质量守恒原子核物理学：P++e→n或n→e+P+表明：质子能转化为中子，中子也能转化为质子，但总质量、电荷数是守恒的⑵各种能量形式之间的转化与守恒性（能量守恒），从能量的角度证明了自然界物质形态的统一性能量转化：机械能→热能→电能→光能→…能量守恒：总能量不变⑶质量和能量相互转化的规律，证明了自然界物质形态的统一性；E=mc2表明：能量和质量能够转化转化时，按照严格的比例关系来转化，比例关系是C2以质量为度量的物质和以能量为度量的运动，具有统一性4.实物粒子和场的内在联系，证明了自然界物质形态的统一性任何物质粒子周围都存在着场，有多少中实物粒子就有多少种场；如：电荷周围有电场，地球周围有引力场，核子周围有核子场，人的周围——什么场？任何场都是实物粒子的场，每一种场都有与之对应的实物粒子；电场，对应着的实物粒子：电荷磁场，对应着的实物粒子：运动的电荷实物粒子和场是能够相互转化的。（这在微观领域中非常明确）电子和正电子相遇，产生“湮灭”现象，实质是转化为光子（场、电磁波）同样，在核子场中，光子→正电子+电子四、物质不灭原理1.原理的内容：自然界中的物质，就具体的物质形态而言是有生有灭的，但某一物质形态的消亡，必然伴随另一物质形态的产生；因此，就自然界整体而言，自然界中的物质是某种既成的东西，是既不能创造，也不能消灭的东西，物质本身是不灭的。这是从质上对自然界物质的特性的揭示这是对自然界科学大量事实的概括和总结，表现在诸多的科学领域。2.表现：化学领域：

H2O→H2↑+O2↑

反应前后总质量、总能量不变相物理学领域：固态冰→液态水前后总质量、总能量不变爱因斯坦的质能关系式：E=mc2说明：静止质量和运动质量的变化与守恒。“质量亏损”说明的是：静止质量转化为能量（即运动质量）第二节自然界物质联系的系统方式

——自然界的系统观或系统自然观内容：一、系统及系统方式二、自然界物质系统的类型（多样性)三、整体与部分：系统的基本矛盾之一四、涨落与稳定：系统的基本矛盾之二一、系统及系统方式1.什么是系统？系统的定义：

“系统是由两个或两以上的要素组成的，在一定的环境中，具有特定结构和功能随机整体。”含义：⑴系统是由两个或两个以上的要素构成的要素：构成系统的基本组成部分或基本单元，相对于系统来说，也称为子系统⑵系统是具有特定结构的整体

结构：系统中各种关系和各种联系的总和⑶系统是处在一定环境中的整体环境：是系统赖以存在的各种外部条件的总和⑷系统是具有特定功能的整体。功能：系统在外部环境中所表现出来的特性和能力，是系统整体属性的一种体现。系统功能的分类：元功能：系统中单一要素所具有的功能；本功能：元功能的机械相加，或系统中各要素的功能之和；构功能：系统中各要素以特定的联系表现出来的功能。2.什么是系统方式：定义：是自然界的事物之间以系统为基础普遍联系的一种方式。特点：⑴系统方式具有普遍性自然界中的任何事物都可以看作是一个系统宏观上：天体系统微观上：分子系统、原子系统、原子核系统生命界：生命系统⑵系统方式具有复杂性，表现出联系的复杂性系统要素之间的联系系统要素与系统整体的联系系统与环境的联系系统要素、环境与功能之间的联系二、自然界物质系统的类型展示了自然界物质系统的多样性不同的分类方法，形成了不同的系统类型1从系统所处的状态来划分

平衡态系统：系统内部各要素之间没有差别的相互关系近平衡态系统：系统内部各要素表现出线性相互作用关系远离平衡态系统：系统内部各要素表现出非线性的相互作用关系，是新的有序结构产生的必要条件。2从系统与环境的关系来划分孤立系统——系统与外界环境没有物质、能量的交换（如熵增加原理——就是揭示了孤立系统的规律）封闭系统——系统与环境没有物质交换只有能量交换的系统开放系统——系统与环境既有能量交换，也有物质交换3从系统内部实际发生的过程来划分物理系统：物理学所研究的系统。如热机系统、电机系统化学系统：化学研究的系统如分子系统生命系统：生物学所研究的系统如：各种动物、植物系统社会系统：社会科学研究的系统如：经济系统、生产系统、商业系统、交通系统、属于社会科学研究的范围4从系统内部各要素相互作用特点来划分线性系统：系统内部各要素的关系是线性的。非线性系统：系统内各要素的关系是非线性的5从人和自然物的相互作用角度来划分天然系统：人未参入的自然系统如：类星体，墨洞、河外星子所构成的系统人工系统：人工制造的多种系统如：发电机、电动机、拖拉机、汽车、轮船、飞机、火箭主要表现为主体属性，是人的本质力量外化的产物。复合系统：人部分参入的系统如：农田系统：农田、水利、改良的新品种主客体属性都得到显示，相近或相当6从人对自然界的认识程度来划分黑系统：人对系统结构一无所知；灰系统：人对系统结构部分认识；白系统：人的系统结构全部认识。7从系统规模来划分微观系统：分子系统以下的系统；宏观系统：地球及其上的系统；宇观系统：银河系以外的系统；渺观系统胀观系统三、整体与部分：系统的基本矛盾1整体和部分的含义整体：是指构成系统的诸要素和关系的全部总和。进一步讲，它是系统的组成、结构、性质、功能以及多样性联系的辩证统一体。部分：是指整体中的各个要素和各种关系。它既可以是整体中的某一要素、某一关系也可以是某些要素的组合、关系的组合2整体和部分的关系概括地讲，二者是辨证统一的关系展开来看，二者的关系是：（1）就其组成而言二者的关系是：a、整体以部分为基础没有有部分就形不成整体；b、部分以整体为前提没有整体，部分也就不是整体的部分，部分就失去了意义。（2）就其功能而言其关系表现在以下三种情况：a、整体大于部分之和这是从质上来讲的，它是指整体的各个部分有机组合、互相协调，就在功能上产生了大于部分功能之和的新质。“三个臭皮匠，也等于一个诸葛亮”b、整体小于部分之和这也是从质上而言的，是指整体中多部分互相牵制，使部分的功能不能很好地发挥，在整体功能上产生了小于部分功能之和的新质。“一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃”c、整体等于部分之和这是从量的角度而言的，是指由部分机械组合的整体，整体功能就等于各个部分的功能之和。一堆苹果，一堆石头等。第三节自然界的层次结构

——自然界的层次观或层次自然观

内容：一、层次结构及其特点二、自然界的基本层次三、层次结构的结合度递减律四、层次结构因果链一、层次结构及其特点1层次结构的定义：层次结构是指由若干要素经相干性关系构成的系统（即低层系统），再通过新的相干性系统而构成新系统（即高层系统）的逐级构成的结构关系。简言之，层次结构是由低层系统再构成高层系统的逐级构成关系。低层系统：是由若干要素经过相干性关系构成的系统。高层系统：是由若干低层系统为要素经过相干性关系构成的新系统。因此，层次结构就是指低层系统、高层系统、更高层系统的逐级构成关系。如：这种逐级构成关系就是层次结构质子和中子经过相干性关系构成原子核（低层系统）原子核和电子经过相干性关系构成原子（高层系统）原子之间经过相干性关系构成分子（更高层系统）分子通过相干性关系构成分子体系（更高层次系统）分子体系通过相干性关系过程物质凝聚态，等等2层次结构的特点（1）低层系统对高层系统具有构成性关系这反映了物质系统间的纵向关系（不同层次的系统之间的关系）从以下四个方面来理解：A低层系统是高层系统的构成部分，是高层系统的基础离开了低层系统，高层系统就不复存在了B高层系统是由低层系统构成的，是低层系统的保障离开了高层系统，低层系统也就失去了原来的意义。C层次结构中的这种构成性关系，在纵向上将系统区分为多级结构、多级功能和多级环境这要求研究系统时，要多层次地分析、综合。既要研究其所处的高层系统，也要分析其底层系统D同一结构内的分层排布现象，不存在层次结构，不存在构成性关系，因而不属于层次结构范畴如原子核外电子的分层分布，K、L、M、N层，同一层的S、P、D、F亚层，同一亚层中的不同轨道的排列。这只反映了原子空间结构上的特点，而多层之间不存在构成关系，因此不是层次结构，它不具备构成性关系。（2）同一层次的系统之间具有相干性关系这反映了系统之间的横向关系（同一层次的系统之间的关系）在理解这一关系时，应注意：A各个低层系统只有通过相干关系，通过非加和性关系，才能构成高层系统。如原子核和电子只有通过相干性过程，才能构成原子原子核和电子的简单相加并不是原子。B正是通过这种横向的相干性关系，才导致了层次结构的质的差别，导致了高层系统的新质的产生。原子核和电子，通过相干性关系，构成具有新质的原子。原子和原子，通过相干性关系，构成具有新质的分子，等等因此，相干性过程是构成性关系的基础。C低层系统间的相干性关系比高层系统之间的相干性关系并不一定简单，甚至更复杂。如：原子核和电子的相干性关系比原子之间相干性关系更复杂。二、自然界的基本层次非生命世界的层次结构（两观系统）：夸克基本粒子原子核原子分子分子体系凝聚态物质卫星、小行星?自然界的层次结构微观世界宏观世界……强子如质子、中子夸克有结构吗？非生命世界（三观系统）分子原子…夸克恒星星系星系团总星系非生命世界微观世界宏观世界宇观世界已知最大范围“宇宙”自然界的层次结构已知最小实物粒子已知的生命界的最低层次已知的生命界的最高层次生命世界蛋白质核酸分子体系细胞组织器官系统生物个体种群群落生态系统生物圈自然界的层次结构？能否从原子及其以下的层次来研究生命？自然界的层次结构非生命世界生命世界领域层次空间尺度cm理论描述领域层次理论描述渺观？<10-34

？超弦理论？分子型氨基酸蛋白质，核酸生物超分子复合物分子生物学微观夸克基本粒子原子分子10-13<…<10-6量子力学量子场论统计力学……表观型细胞器细胞核、质、膜细胞细胞学宏观地上物体行星恒星10-5<…<1014牛顿力学经典物理学……组织器官系统个体生理学宇观星团星系星系团超星系团总星系1014<…<1028星系动力学广义相对论宇宙电动力学种群类群群落生物学生态型小生态系统大生态系统生物圈生态学胀观？>1024光年？？三、层次结构的结合度递减律

1、层次结构结合度的定义在层次结构中，各层系统内部诸要素相结合的紧密程度。紧密程度高，则结合度大；反之，结合度小。

2、层次结构结合度递减律的内容在自然界物质系统的层次结构中，随着层次由低到高推进，各层的结合度出现了由大到小的递减趋势。简言之，层次结构的结合能与层次尺度成反比如下表所示：尺度越大，层次结构越高，而结合能越小反之，尺度越小，层次结构越低，而结合能越大层次L（cm）E（eV）E/m单细胞10610-1210-11分子10-5－10-710-2－10-110-9原子10-7－10-8100－1013*10-5原子核10-12－10-13105－1062*10-3基本粒子10-13－10-16108－1091E/m：结合能与被结合物质质量之比eV：电子伏特（能量单位）3、层次结构结合度递减律的意义有四：（1）结合度递减律是维持层次结构相干性关系和构成性关系的原因换句话来说，结合度如果不随层次增高而递减，那么高层系统在形成时，必然破坏低层系统。低层系统破坏了，高层系统便不能形成。（2）结合度递减律是高层系统在解体时，低层系统仍具有稳定性的原因如：用化学方法，使分子（高层系统）解体时，原子（低层系统）仍然是稳定的。H2O→2H+O分子解体后，H、O仍然稳定用物理学方法，使原子（高层系统）解体时，而原子核仍是稳定的生命体（高层系统）解体时，构成生命的分子（低层系统）仍具有稳定性。否则，系统在解体时，不是首先破坏高层系统，而是首先破坏低层系统——这显然不符合事实。（3）结合度递减规律，能够使自然界的物体在稳定的低层结构系统基础上建立新的高层结构系统成为可能生命的进化过程