自然辩证法-第二章现代科学技术和自然观的发展

第二章

现代科学技术

和自然观的发展19世纪末20世纪初，物理学出现三大新发现和两个问题，彻底地变革了科学的自然图景，推动自然科学进入现代自然科学发展的新阶段。第一节19—20世纪之交的物理学革命与系统自然观的产生一、世纪之交的物理学发现、危机19世纪末物理学三大发现X射线的发现：真空管阴极射线，伦琴

1895年11月8日，发现了新的射线。它具有极强的穿透力。贝克勒尔出生在研究荧光的世家。铀的放射性。居里夫人，放射性一词的首次提出。电子的发现揭示阴极射线的本质。它比原子更小，是一切化学原子的共同成分。这些放射性元素的新发现是否意味着元素是可变的？能量还守恒吗？电子的发现打破了原子是构成物质的最小单位的观念。标志着人们对物质结构的认识到了一个新的阶段。这些新发现动摇了物质不灭性、能量的守恒性、原子和元素不可分性和不变性、是物质组成最小单位、时间和空间的绝对性、运动的连续性等等形而上学的观念。同时，正当人们陶醉在物理学经典体系“尽善尽美”的境界时，物理学的晴朗天空中却出现了“两朵乌云”，这就是当时经典物理学理论无法解释的麦克尔逊—莫雷实验和黑体辐射实验。物理学陷入空前的危机。麦克尔逊—莫雷实验： 按照麦克斯韦的理论，电磁波必须依靠以太介质以有限速度来传递，但寻找以太的实验未取得肯定结果。这意味着在真空中传播的光速对以任何速度运动的物体来说都是不变的。这意味着不存在时空的绝对参考系。（爱因斯坦突破了以太说和牛顿的绝对时空观，在1905年提出了狭义相 对论）黑体辐射实验1900年，英国物理学家瑞利根据经典统计力学和电磁理论，推出了黑体辐射的能量分布公式。该理论在长波部分与实验比较符合，但在短波部分却出现了无穷值，而实验结果趋于零。这部分的严重背离，被称为紫外灾难。1900年普朗克作出了一个公式，使在长波和短波部分均与实验相吻合的公式。但根据不足。他发现，只要假定物体的辐射能不是连续变化，而是以一定的整数倍跳跃式的变化，就可以对自己的公式做出合理的解释。他于是将最小的不可再分的能量单元称谓能量子或量子。当年宣告量子论的诞生。19世纪末的三大发现，动摇了经典物理学的许多基本概念，打开了原子结构的大门，否定了经典物理学原子不可分、元素不能变的传统观念，揭示了质量、能量的新形式。量子理论的能量子假说与经典物理学几百年信奉的关于自然界的连续的观念直接矛盾。这样一个理论为光的波粒二象性本质的认识提供了方向。经典物理学的危机实质是形而上学思维方式和机械论自然观的危机，表明旧理论在新发现面前的无能为力。量子力学和相对论的创立充分说明这样一个事实：自然科学的重大理论突破，需要善于发现已有的理论与实践的矛盾，需要有勇于挑战传统理论的自信心与勇气；重大理论的创建和形成，往往要经历长时间的争论以至非难，在得到反复验证后，才被承认；同时也说明创新意识、创新思想在科学研究中所具有的重大作用和意义。二、20世纪上半叶的物理学革命及其辩证自然观思想20世纪初，正是在解决新实验事实同旧理论之间的矛盾的过程中，爱因斯坦和普朗克等科学家创立了以相对论和量子力学为支柱的现代物理学理论体系。1相对论

1905年德国科学家爱因斯坦创建狭义相对论，科学地揭示了时间与空间、时间和空间与物质运动之间、质量和能量之间的统一性。1916年他又创立了广义相对论，揭示了空间、时间与物质之间存在的辩证关系。科技史328爱因斯坦相对论的生动体现同时性具有相对性。运动着的钟会变慢。运动的尺会变短。以上都取决于参考系运动的速度。光速。时空与物质运动速度有关。光走过引力场时走的是弯曲的道路，就像炮弹在引力场作用下沿抛物线下落。而光是物体运动的极限，所以光走的是最短程。弯曲的线是短曲线，这说明引力场时空间弯曲，空间弯曲的程度取决于引力场的强度，或者说取决于物质的状态。————进一步说明空间与物质发生了密切的联系。引力红移。引力场时光线偏转。广义和狭义相对论的诞生，革新了物理科学的基本概念的框架。由于近代世界图景主要由物理科学提供，也可以说相对论革新了世界图景。世界的图景不再是“筐子装东西”式的“时空+物质”模式。由于时空与物质及其运动之间发生了关联，世界图景变成了“时空-场-物质-流形”。经典物理学中时空与物质之间的二分消解了，物质运动与时空成为一体。相对论在时空观方面的革命完全奠基于对希腊古典科学精神的再度弘扬。这种精神就是对世界普遍性的追求，对宇宙和谐的追求，对数学简单性的追求。在狭义相对论中，“光速不变原理”起到重要的作用，它的功能在于统一电动力学与牛顿力学，他说：狭义相对论的成就可以表征为一般地指出了普遍常数c（光速）在自然规律中所起的作用。在广义相对论中，等效原理即引力场与加速度的等效是一个关键，它的功能也视为物理学的大统一奠定基础。可以说，为物理学奠定新的统一的概念基础是相对论的最重要贡献，也就是导致物理学革命的主要原因。2.量子力学1927年矩阵力学和波动力学被证实二者是等价的，后称“量子力学”。卢瑟福：原子有核模型。原子质量基本上集中于核上，饶核旋转的电子所带负电正好与核所带的正电相等量。原子表现出电中性。玻尔：量子化的原子结构模型。电子只在一些特定的圆轨道上绕核运行。当它在这些特定的轨道上运行时并不发射能量，只有从一个较高能量的轨道向一个能量较低的轨道跃迁时才发出辐射，反过来则吸收辐射能。这样一个理论是对卢瑟福模型的完善，也得到氢原子光谱分析的验证。这个理论违背古典理论。（科技史338）德布罗意：物质波理论。光量子理论推广到一切物质粒子，特别是电子。电子也是一种波。海森堡：矩阵力学。互补原理：微观领域测不准原理。这些革命性成就的取得，一方面产生了两个全新的自然科学基础理论：相对论和量子力学，另一方面还对自然观产生了深远影响，展现出一幅全新的自然景观：其一，彻底推翻了物质与运动无关的形而上学观点，深刻地揭示了物体质量与运动速度、物质质量与时空之间的深刻关联；其二，绝对时空并不存在，时空不仅与物质关联，而且本身就是物质、运动的存在属性和方式。同时，它还触发了一系列深刻的哲学和科学争论。爱因斯坦与波尔之争.doc量子力学究竟是否是描述真实世界的完备理论？海森堡提出微观领域测不准原理。任何一个粒子的位置和动量不可能同时准确测量，要准确测量一个，另一个就完全测不准。珀尔敏锐地意识到它正是表征了经典概念的局限性，因此以之为基础提出了“互补原理”，认为在量子领域里总是存在着互相排斥的两套经典特征，正是它们的互补构成了量子力学的基本特征。珀尔的互补原理被称为正统的哥本哈根解释，但爱因斯坦表示坚决反对。他始终认为统计性的量子力学是不完备的，而互补原理是一种妥协。二人之争持续半个世纪，直到他们本人各自去世也没有完结。量子力学更激烈地改表了世界图景的构造。如果说相对论只是把时空框架与物质运动融为一体，还保留了牛顿力学固有的严格决定论的数学微分方程，保留了因果律，保留了定域性（拒绝超距作用），那么这一切在量子世界中都多或少地遭到了破怀。量子概念是量子力学的首要概念，它的引入导致了一系列基本概念的改变：连续轨迹的概念被打破，代之以不连续的量子跃迁概念；严格决定论的概念被打破，代之以概率决定论；定域的概念被打破，代之以整体论的概念。伴随着这些基本概念的变化，量子世界出现了波粒二象性、测不准原理、定域性破坏等。爱因斯坦和玻尔关于量子力学原理的争论，使人们认识到：不带成见和偏见的真正而健康的学术争论和争鸣是推动和促进科学发展进步的重要方法和途径之一。这场争论的结果是物理学家们对量子理论的深入探讨和研究，形成了量子通信、量子计算、量子密码、量子测量的研究热潮。在量子力学的新应用中，最引人注目的是信息科学，量子信息科学充分应用量子的特性，如，量子相干、量子纠缠来实现信息处理，是对信息理论的革命性的突破。3.分子生物学

1953年美国生物学家沃森、英国生物学家 克里克和维尔金斯关于DNA双螺旋结构 的发现，标志着分子 生物学的诞生，它阐明了生物界结构和生 命活动的高度一致性。三、系统科学的出现和系统自然观的诞生20世纪40年代末兴起的控制论、信息论、系统论，是系统科学研究的第一批成果。20世纪70年代前后相继出现的耗散结构理论、协同学、突变论、超循环论等自组织理论及分形理论、孤粒子理论和混沌理论，是系统科学的最新发展。系统科学的诞生给辩证自然观的发展增添了新的思想和内容：在物质观上开始把具有复杂性特征的事物作为研究对象；在时空观上深入研究时空与物质关联的复杂性；在演化观上强调事物的生成与演化及其方向和趋势；在生命观上突出“自组织”的观点（事物自发自主地从非生命演化出生命）；在发展观上强调环境和条件（外因）的作用；最大的变革在于它提出了自然界是一个系统的观点.四、系统自然观的基本内涵和思想

系统自然观建立在新物理学革命和系统科学基础之上，为人们描绘出一幅从基本粒子、原子、分子化合物直到人类，从微观领域到宇观天体系统演化的自组织、自我运动、自我创造的辩证的演化发展的自然图景。系统自然观的基本内涵它揭示了自然系统不仅存在着，而且演化着；自然系统不仅是确定的，而且会自发地产生不可预测的随机性；自然系统不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的。阐发了自然界是确定性与随机性、简单性与复杂性、线性与非线性的辩证统一的思想。这不仅丰富和发展了辩证唯物主义自然观，更为重要的是，它突破了传统的思维方式，提供了一种探索组织性、复杂性问题的全新的思维方式——系统思维方式。第二节

自然界的系统存在方式及其演化一、何谓“系统”？所谓“系统”，是由若干相互联系、相互作用的要素组成的具有特定结构与功能的有机整体。系统的四层含义：系统的基本特征：整体性：有机整体，非加和性。贝塔朗菲：相干性，部分之间的约束、选择和协同的关系；物质系统中任何一个子系统形状的改变是所有子系统形状变化的结果，又会引起所有子系统形状的变化，这些因素之间的关系是互为对象的双向因果关系。层次性，是系统要素的空间关系。要素由于性质、状态基本相同形成一定的组，各个组在宏观性质上具有质的区别，各有其特殊的规律。各个组可以并列关系，可以是上下关系，包含与被包含关系，整体与部分。协调性自然界的层次结构二、系统是自然界物质存在的普遍形式19世纪，恩格斯明确指出系统是自然界物质的存在方式。从人与自然的关系：自然系统可分为天然自然系统和人工自然系统。从自然系统与环境的关系，可分为：孤立系统，封闭系统和开放系统。就系统的状态而言，自然系统可分为平衡态系统，近平衡态系统，远离平衡态系统孤立系统：没有物质和能量的交换。熵趋于最大值。死系统封闭系统：同环境有能量的交换，没有物质的交换。地球。开放系统：由物质与能量的交换。具有自组织功能，具有达到预期的某种终极状态的能力，又在一定条件下趋向于一定的稳态。生命系统。开放系统的特点（1）外部特征是存在输入和输出，同环境不断地交换信息、能量和物质；（2）内部特征是不断破坏自身旧的物质成分，不断组建新的物质成分，广义的新陈代谢；（3）开放系统可能具有等结果性：不同的初始条件可能以不同方式达到相同的最终状态。开放系统也有边界，有一定的开放度，而且是有选择、有过滤地向环境开放，如生命对自然环境的开放。所谓充分地开放，也只是系统得以保持和稳定发展基础上的充分开放。并不是无条件地越开放越好。平衡态系统：在没有环境因素的作用下，内部的相互作用处于相对静止、稳定的状态，即内部无差异、各种量相同。近平衡态系统：是系统内部有一定差异，但只能导致线性相互作用的状态，线性相互作用的一个特征就是整体等于部分之和。远离平衡态系统：是系统内有较大差异，可使系统出现非线性相互作用的状态，非线性相互作用的一个特征就是整体不等于部分之和。三、自然界的演化20世纪的新物理学革命革新了机械自然观的物质观和时空观。随后出现的系统科学和非平衡态热力学则带来了从静止到演化的自然观——演化发展的自组织自然观。基本观点是：自然的演化过程具有不可逆性；自然的进化是一个不断有序化和发生对称性破缺的过程，具有开放性、远离平衡态、非线性相互作用和涨落的自组织机制；自然界的循环发展具有无限性。自然界的演化方向:是指自然运动的指向——朝某种方向的变化。强调的是终点。方向性与目的相概念相似。变化的趋势，好像在追求一个目标。方向性是自然变化的一种内在的本质属性。一个空间方向同其他方向不同，就是空间对称的破缺。对称性的破缺就使运动变化具有方向性。时间的方向性时间的不可逆势自然界变化不可逆性的反映。可逆：是指自然系统经过变化以后又回到了原来的状态，而不引起环境的任何变化。不可逆：如系统经过变化，引起了环境的变化，再也不能完全复员到原来的状态。普里高津：不可逆是有序之源。可逆与不可逆：可逆是相对的，不可逆是绝对的。自然界总体来看是不可逆的。牛顿力学：自然界可逆； 热力学第二定律：不可逆； 能量守恒与转化定律：可逆； 熵增加原理：不可逆。 可逆在时间上是对称的（时间的反演对称）属于存在物理学范畴。 不可逆过程属于演化物理学自然界的演化有众多的方向。在诸多的可能方向中，经过一段变化后，就会出现一个主导方向，就是概率最大的方向。美国的物理学家费因曼根据他对量子物理学的理解，认为宇宙有多种历史。有多种可能的途径。粒子运动虽然有无数可能的途径，但只有一条路径是重要的，即在牛顿经典运动定律中出现的那一个。在费因曼的模型中，保证了除了一个路径外所有路径的贡献在求和时都抵消了。这个运动方向实现的概率是如此之高，以致人们常误以为运动只有一个方向。自然界的变化既有确定性，又有不确定性 有一个主导方向，这就是确定性；有无限个可能方向，就是不确定性。确定性来自不确定性。最初的运动也许是杂乱无章，后来逐渐形成一个优势方向，便开始出现了有序结构。自然物变化的主导方向一般是由其内在本性决定的，在一定条件下具有必然性，而运动从主导方向转向非主导方向，常常是外部环境作用的结果，偶然性就扮演重要的角色。自然变化的方向有层次性。有整体的方向，也有局部的方向；有过程的总方向，也有各个阶段的方向。有时一致，也有不一致。各个小方向也常常互不相同，这是自然发展曲折性的表现。山猫多和野兔少，山猫多。一般来说，大方向决定小方向，小方向服从大方向。要素可以有自己的方向，但又遵守系统的大方向。前进的道路是弯曲的，每个弯曲都有自己的小方向。大弯曲里有小弯曲，小方向里还有更小的方向。这些小方向又互相抵消，小方向的综合，便形成了大的方向。自然界的演化有两个方向：进化和退化，进化是更为基本的方向。近代的地质学、天文学和生物学推动了进化论思潮。 笛卡尔《哲学原理》地球的形成过程。 莱布尼茨，《原始地球》。康德。沃尔夫《发生论》达尔文《物种起源》系统的演化涉及的概念演化发生在复杂系统中结构和要素简单和复杂 线性和非线性竞争和协同是系统演化最活跃的动力信息与熵自组织与他组织宇宙热寂说热力学第二定律：热运动形式和热能熵趋向无穷大。宇宙中一切运动形式就停止了。分析:蝴蝶效应：确定的系统有内在的随机性；对初始条件的敏感性；初始条件经过非线性作用逐级放大，演化过程中会导致有重大区别的结果。自组织理论揭示了自然界进化的机制。系统进化的条件：第一，系统处于开放状态，同外界有物质、能量和信息的交流。第二，系统处于远离平衡态状态。第三，系统的非线性相互作用。第四，内部涨落。对平均状态的偏离称为涨落。涨落是随机的、偶然的。一般情况下，涨落会被系统结构所约束，小的涨落一般会衰减。但在系统状态的临界点上，微小的涨落可能会放大，形成巨涨落，使系统的状态发生质的变化，导致有序结构的出现。初始条件的敏感性。长期天气预报不可能。第三节天人和谐的生态自然观 20世纪自然观新进展不仅体现了关于自然界系统联系和演化发展的特征，而且还体现了人与自然关系的新认识特性。 以往的自然观主要是关于自然的观点，而20世纪的辩证自然观则是包含人和社会因素在内的自然观，是人如何对待自然的认知、态度和伦理价值的自然观。竞争与协同

复杂系统中要素之间的竞争和协同的关系在自然界的进化中具有重要的意义。竞争指系统内部不同要素之间或者不同的子系统之间，不同的系统之间通过斗争（优化、择优劣汰、自然选择等）促进系统的演化。协同有共同、合作、协调和同步之意，是系统许多要的联合作用。所谓协同学就是专门研究协同关系，认为在系统中的各个要素或者子系统之间不仅存在着相互排斥的关系，而且这些相互竞争的要素在一定条件下会走向协同。自然界的演化表明；自然界的变化总是力求消耗最小，遵循效率最大的原则——最小作用原理。这是自然选择的结果。自然选择在世界上每日每时都在精密检查着最微细的变异，把坏的排斥掉，把好的保存下来并把它们积累下来；无论什么时候什么地方，只要有机会，它就静悄悄地不知不觉地在工作，把各种生物与无机的和有机的生活条件的关系加以改进。这种缓慢的变化，我们是看不出来的，直到经过极长的年代才能看到。——达尔文哈肯说:每当一种新的有序状态开始时，大自然听任该系统在几种可能性中选择其一。自然的系统本身有选择的机制。所谓自然界的和谐是指物质或者过程中各种有质的差异的部分协同共进的关系，和谐就是相互配合、相互促进的关系；相互补充、相互支持、相互完善、相互推动的关系。和谐的前提是差异。和谐的特征之一是比例合理。和谐是一种平衡状态。宇宙为什么是和谐的？牛顿;第一推动力莱布尼茨：前定和谐说人择原理：因为在和谐宇宙中才会有我们人类，才会提出这个问题。宇宙有多种可能，又和谐也有不和谐。霍金：事物之所以如此是因为我们如此。哈肯的协同学是关于系统各部分之间相互协作的理论，是协同合作之学，主要探讨系统内部有序、自组织的集体行为，其基本观点是：协同是有序之源。哈肯的协同学强化了统一性对事物发展的作用。竞争或者斗争并不是集体运动中