自然界的系统演化

自然界的系统演化第一页，共四十三页，2022年，8月28日2存在物理学与演化物理学存在物理学：时间是从外部描述运动的一个参量，它的变化并不影响运动的性质，因而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=md²r/dt²把t–t，方程形式不变，对时间反演对称，意味时间无方向性第二页，共四十三页，2022年，8月28日演化物理学：时间不再是描述系统运动的外在参量，而是和系统的演化相联系的，从而是有物理内容的时间。热力学中的傅立叶方程әT(x¸t)әt=-λә²T(x¸t)әx²把t–t，方程形式变化，时间反演不对称或对称性破缺，意味时间方向性第三页，共四十三页，2022年，8月28日（二）自然界演化的方向性：进化或退化1概念进化一般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。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系及演化过程性质的描述，它表征着系统的组织程度。度量参量：熵、序参量、信息量

第四页，共四十三页，2022年，8月28日并非所有有序程度提高的过程都能称为进化。有两种变化方式，一种变化是预先编好程序的，譬如象胚胎在母体子宫内的演变和生长，另外—种类型的变化是创造性的推进”，它标志着真正的进化。第五页，共四十三页，2022年，8月28日热力学对演化过程的揭示：卡诺在研究蒸汽机效率时发现，从一定的热量能做的功有一个上限，这个上限取决于两热源之间的温度差。提出卡诺原理：温度均衡过程必导致做功可能性的丧失2科学理论对时间箭头指向的回答第六页，共四十三页，2022年，8月28日热力学第二定律：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：热不可能从低温物体流向高温物体而不产生其它影响第七页，共四十三页，2022年，8月28日用熵表述为：一个孤立系统的熵总趋于增大（熵增定律）熵：本义是表征系统的状态宏观意义表征系统能量分布的均匀程度（能量平均状态是熵值达到最大的状态）微观意义表征系统内部粒子的无序程度第八页，共四十三页，2022年，8月28日考察热力学能量从有效到无效状态的转化从较高集中程度向较低集中程度的转化从有序状态向无序状态的转变熵理论在物理学中第一次真正触及到自然界发展的不可逆性问题第九页，共四十三页，2022年，8月28日熵理论运用于整个宇宙，提出以熵理论为基础的宇宙理论。赫尔姆霍兹提出宇宙热寂说：宇宙不断变冷（或热），所有有用的能量最后都转化为热，宇宙最终要处于温度均匀的状态，所有的自然过程都将停止。宇宙热的总变化总是沿正向变化而趋于热平衡和熵增至极大值，在达到平衡态后，热量在自然状态中无法再转化为能量的其他形式宇宙的热寂相当于永恒的宁静。一旦宇宙达到热寂，宇宙将呈现一幅惨淡的景象第十页，共四十三页，2022年，8月28日能量在那里还是有的，但它已经丧失了它全部的转化能力，它已经不能迫使宇宙工作，·······我们将停留在死寂的但可能是温暖的宇宙中。————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。---------------维纳第十一页，共四十三页，2022年，8月28日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解决

麦克斯韦妖的提出试图解决两者的矛盾齐拉德证明妖是一个有智力的存在物，妖的能力的获得涉及信息的交换、传递和熵的变化提出负熵的概念薛定谔：一个开放系统，能够不断的从外界获得并积累能量，即能产生负熵。有机体如此第十二页，共四十三页，2022年，8月28日

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diS≥0。孤立系统des﹦0，ds﹦dis＞0，熵增封闭系统des0，ds＞0，熵增开放系统des＜0，且︳des︳﹥dis，则ds＜0熵减耗散结构理论第十三页，共四十三页，2022年，8月28日在与环境的交换中，通过自组织形成耗散结构，即远离平衡的非线性区形成的，并且以能量的耗散来维持自身稳定性的，不以外界的微小扰动而消失的稳定的宏观有序结构。如贝纳德花纹化学钟化学波（罗索夫-扎鲍廷斯基反应）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，但都不是唯一普适的现象。耗散结构理论：揭示前两种理论的一致性第十四页，共四十三页，2022年，8月28日第十五页，共四十三页，2022年，8月28日第十六页，共四十三页，2022年，8月28日混沌学：从混沌能产生有序，其根据在于混沌内部质的规定性通过对远离平衡现象进一步研究发现，当系统进入到高级分支时，将出现越来越多的震荡，最终引起巨涨落而产生混沌现象；还有研究表明在离平衡足够远时，混沌态和有序耗散结构还可以交替出现，由此推测有序态可能是热平衡的无序和混沌态的无序之间的一种状态第十七页，共四十三页，2022年，8月28日混沌的定义包含有序的特殊状态宏观无序无律、微观有序有律的状态与规则运动相对的行为第十八页，共四十三页，2022年，8月28日特性a对初始条件的敏感依赖性蝴蝶效应：具有不同初始条件的系统之行为，无论如何相似，总是随时间的推移呈指数分叉b服从确定性方程，具有内在的随机性不确定行为不是来源于外界环境的随机因素对系统运动的影响，而是系统自发产生的。c具有无穷嵌套的自相似性第十九页，共四十三页，2022年，8月28日分形如科赫雪花曲线这个可转化为一个现实问题：芒得勃罗提出的英国海岸线有多长？无限长第二十页，共四十三页，2022年，8月28日分形自相似遍布于生物体。如支气管树心脏的跳动也遵从分形的节律，每一次跳动基本与上一次相同，但是永远不会完全一样。心动时间的正常分形标度的破坏，可以从两方面导致病变。如果心跳与户籍变得高度周期化，就可能导致充血性心脏停搏。另一方面，此节律也不能非太周期，否则会引起心脏纤维性颤动。因此心脏的正常节律在秩序与混沌的疆土之间来回振荡。“各类系统中缺乏生理多变性似乎标志着衰老过程。”第二十一页，共四十三页，2022年，8月28日通向混沌的道路倍周期分岔道路Xn+1=BXn(1–Xn）种群量用01之间的变数表示Xn代表最大可能的种群量即100%B<1时，即使种群量很大，最终集群走向灭亡B>1时，当种群量比较大时，种群量从一开始就要下降，当种群量比较小时，种群量就增加，最后都到定态值2/3处B=3.0时，种群量绕两个值震荡第二十二页，共四十三页，2022年，8月28日B=3.4495时，分岔产生围绕四个不同值的种群的震荡B=3.56，震荡再次不稳定，分岔成8支B=3.569,16支B=3.569999,不同吸引子的数目达到无穷间歇混沌如网络计算机会出现奇怪的、不可预测的行为间歇现象有两种表现，可以把它视为随机海洋中的秩序小岛，或视为秩序之广播被随机切入的嘶嘶声所打断。第二十三页，共四十三页，2022年，8月28日茹勒-泰肯道路通向混沌(三体相互作用)庞加培:大多数二体运动轨道由于第三体的影响,即使在很小的扰动下某些轨道也漂浮不定.KAM定律满足1第三行星的扰动的影响不大于澳大利亚的一只苍蝇的吸引力2相关行星的行星“年”不具有简单的比率太阳系不会解体第二十四页，共四十三页，2022年，8月28日3进化和退化的统一性

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常常内在地包含着进化。进化与退化同存共生进化与退化常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。第二十五页，共四十三页，2022年，8月28日•进化与退化的相互交替进化与退化往往是交替进行相互转化的。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。

第二十六页，共四十三页，2022年，8月28日孤子或孤波1834年8月苏格兰工程师约翰·司科特·罗素正沿着爱丁堡附近的尤宁运河骑马，“我正在观察一条船的运动，这条船沿着狭窄的河道由两匹马快速的拽进。当船突然停下来时，河道中被推动的水团并未停止，它聚集在船首周围，剧烈翻腾。然后，呈现滚圆光滑、轮廓分明、巨大的、孤立耸起的水蜂，突然，以很快的速度离开传首，滚滚向前。这个水峰沿着河道继续向前行进，形态不变，速度不减。我策马追踪，赶上了它。它仍以每小时八九英里的速度滚滚向前，同时仍保持着长约三十英尺、高约一到一点无英尺的原始形状。它的高度渐渐下降。我追逐了一两英里后，在河道的拐弯处，被它甩掉了。第二十七页，共四十三页，2022年，8月28日世界图景的多元格局无时间性图景有时间性图景向高熵发展向低熵发展第二十八页，共四十三页，2022年，8月28日（三）自组织中的相干性和协同性

非平衡自组织理论关于系统走向有序即系统形成有序结构的根据和条件的论述，对于理解一般进化的条件是极有意义的耗散结构理论思路:A首先考虑系统的稳定性，即系统在什么状态下是稳定的，什么状态下不稳定稳定性同系统所处的状态，所具有的抗干扰能力相联系，抗扰动力越强，系统愈稳定

第二十九页，共四十三页，2022年，8月28日B平衡态:平衡态也具有扰动,平衡态是否稳定就要看它能否抵抗各种干扰，使得任意形式的微小偏离都不断减至为零，即它所引起的熵的变化δs<=0，保证这一条件系统稳定热力学第二定律加以保证从分析中引申出1孤立系统不可能产生自组织2非平衡态系统也不可能第三十页，共四十三页，2022年，8月28日C近平衡态:最小熵产生原理，即熵产生p的速率不会大于0,dP/dt<=0它保证了近平衡态的稳定性D远离平衡态第三十一页，共四十三页，2022年，8月28日形成的条件(1)系统处于远离平衡的状态。(2)系统必须是一个开放系统，即系统内外环境之间要有物质、能量、信息的交换与流通，并且必须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，从而使系统的熵逐步减小（3）形成有序结构的各要素之间存在着非线性的相互作用。第三十二页，共四十三页，2022年，8月28日这种相互作用使各要素间产生l

相干效应与协调动作，从而可以使系统从杂乱无章变为井然有序。l

使系统产生多个可能的分支l

产生临界效应第三十三页，共四十三页，2022年，8月28日

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正反馈推动系统走向有序。负反馈往往会使系统的变化衰减，而正反馈则会使系统的变化被放大和加剧，从而推动系统的质变，加速系统自复制自组织的过程，使要素微观协同产生出宏观秩序。（5）涨落和突变是产生有序状态的条件。小的涨落会被衰减，而在临界点附近，涨落则可能被放大，形成巨涨落，从而会推动系统发生质变，跃迁到新的分支上去，形成有序结构。即在临界点处，涨落会使系统发生突变，导致有序。第三十四页，共四十三页，2022年，8月28日耗散结构机理图结构功能涨落第三十五页，共四十三页，2022年，8月28日协同学：研究了由平衡态从无序向有序转化的机制，具更普遍的意义。它认为一个由大量子系统组成的系统实现自组织的关键不在于系统是否远离平衡态，只要系统内部各子系统之间在一定条件下通过协调一致的行动，就能形成宏观尺度上稳定有序的时空或功能结构。子系统之间的这种相互配合、相互协调的机制即所谓协同作用第三十六页，共四十三页，2022年，8月28日哈肯将影响系统行为的众多变量分为两类：快变量（在临界点附近阻尼大，衰减快）慢变量（在临界点附近阻尼系数趋于零）慢变量对系统的演化影响很大支配原理：在系统达到临界点时，快变量受慢变量的支配和役使，慢变量决定和控制快变量，从而导致新的结构的产生。序参量本质上与慢变量等价第三十七页，共四十三页，2022年，8月28日协同作用一是序参量与其它参量之间的合作关系和联合作用，一是序参量之间的合作和联合作用由于以上两种协同作用的存在，整个系统处于积极的状态，当环境变化时，全部子系统均作出主动调整，使系统发展演变第三十八页，共四十三页，2022年，8月28日非平衡自组织理论的这些成果，对如何一般地理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基本根据外部获得物质和能量是系统进化的基本条件内部涨落是系统进化的直接诱因（四）系统演化中的必然性和偶然性牛顿力学：必然性第三十九页，共四十三页，2022年，8月28日统计热力学：概率引入科学，表明群体行为的规律已丧失了确定性，只能以