二系统自然观的建构

第二章系统自然观的建构

每个时代的自然观都是对该时代科学技术前沿成果的概括和提炼。本章的主要内容，是20世纪科学技术给辩证唯物主义自然观带来的新发展。第一节自然界的物质系统性一、自然物质形态的系统性系统是自然物质的普遍存在方式，也是物质间普遍联系的基本方式。系统：由相互联系和相互作用的若干要素以一定的方式所组成的具有特定结构和功能并与周围环境发生联系的有机整体。物质系统：以系统方式存在的物质客体。1、系统的基本特点是有机整体性

系统并不是各个部分的简单总和，“非加和性”。系统作为一个整体，将出现它的组成部分所没有的性质或者失去其组成部分所具有的性质。如原子是由中子、电子、质子等组成，但原子作为一个整体所具有的性质，不能还原其个组成部分的性质组合。2.系统的要素、结构、功能、环境在物质系统的整体与外部之间（环境），系统整体与部分之间以及系统内部各个部分（要素）之间，普遍存在着相互作用。这种相互作用的存在，使系统具有一定的结构，表现出一定的功能。结构是指物质系统内部个要素之间的联系与组织方式

（1）空间结构

（2）时空结构DNA双螺旋结构物质系统的功能，是指有特定结构的物质系统在内部关系和外部关系中所表现出来的特性和能力。系统的环境是指与系统或系统组成部分发生相互作用而又不属于这个系统的所有事物上的总和。系统的结构和功能的关系是辩证统一的，没有无结构的功能，也没有无功能的结构。物质系统的结构决定功能，结构是功能的基础；而功能的发挥对结构又有反作用，功能的优化或退化，有可能导致结构的优化或退化。同时，功能与结构也并非绝对对应，同一结构，可能有多种功能，同一功能也可以用不同的结构实现。要素、结构、功能与环境是规定、理解和分析系统的四个基本内容。系统的功能不仅依赖于其要素和结构，还依赖于环境、要素性质、结构构型和环境条件的变化。物质系统具有无限多样性。运动形式、系统和环境的关系、人与物质系统的关系等。二、自然物质系统的层次性自然物质系统是一个相互联系又相互作用的等级结构，其每一个具体系统都是较高一级系统的一个要素；同时，他自身作为一个系统又包含着更低等级的子系统。质的差异的等级系统，就是物质系统的层次性。非生命物质系统包含微观系统：分子—原子—原子核—基本粒子—夸克—？宏观系统：地球物体—卫星—行星—恒星—宇观系统：地月系—太阳系—银河系—总星系—宇宙？—生命物质系统生物大分子—组织—器官—个体—种群——群落—生态体系—生物圈不同层次生命系统的科学研究，也分别属于生物学、细胞学、生理学、生物进化论和生态学等不同学科。物质系统层次结构有两个规律；（1）自然界物质系统层次的结合度是随着层次由低到高推进，结合度由大到小递减。（2）层次不同，物质运动规律不同。在低层次看来正确的东西在高层次就不一定正确，例如，宏观低速运动服从牛顿力学规律，微观高速运动服从相对论量子力学。

三、自然物质系统的稳定性和可变性稳定性和可变性是物质系统中普遍存在的一对重要性质。稳定的存在，使人们能对丰富多彩的自然界从各个角度进行考察，可变性的存在，则使自然界的演化（进化或者退化）成为可能。物体的稳定性与自组织现象密切关联。（自组织现象，就是在一定条件下系统通过自我组织自发形成一种“有序结构”的现象。一个物质系统的稳定性有着上线临界值（阈值），超过这个值，系统就会出现临界不稳定性，使系统进入失稳或者混沌状态。第二节自然物质系统的演化与自组织

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。其基本观点是：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。一、自然物质系统的演化过程自然界的演化主要是由宇宙的起源、地球的起源、生命的起源和人类的起源构成的。合称为“四大起源”。1、宇宙的起源和演化按照现代宇宙学中最有影响的大爆炸宇宙论和暴胀宇宙论，宇宙起源于大约150亿年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸之初，是一个高温、高密度的“奇点”。从大爆炸开始至10－43秒（普朗克时间）之间有一个过渡的混沌状态，它包含有随机的量子涨落以及由初始状态的一种临界不稳定性造成的许多被称为“泡沫”的区域。随着宇宙的膨胀，温度的下降，宇宙进入到一个叫做“假真空”的状态，这种“假真空”不同于真的物理真空，它具有巨大的负压力，引起引力排斥效应，使宇宙从大约10－35秒后发生按指数急剧的膨胀即所谓“暴胀”，以致宇宙在这一极短的时间（10－35－10－32秒）半径增加了约1050倍。在暴胀结束后（10－32－10－6秒），宇宙进入对称破缺阶段，由“假真空”态转变为“真真空”态，其多余的能量释放出来，在“真真空”中产生了诸如夸克、轻子之类的最基础的基本粒子，标志着宇宙的诞生。而随着宇宙温度和密度的逐步降低，宇宙又经历了以下几个演化阶段：（1）基本粒子形成阶段。（2）辐射阶段或核合成阶段。这个阶段从宇宙时为1秒开始持续到一万年。（3）实物阶段。宇宙时一万年后，形成稳定的原子。大约在宇宙时70万年左右形成原子星系。当宇宙时为50亿年时，开始形成第一代恒星。恒星的演化，按目前广为接受的弥漫说，一般经历四个阶段：引力收缩阶段；主序星阶段；红巨星阶段；脉冲星阶段或爆发阶段和高密阶段。在恒星演化的特定阶段和特定条件下，在宇宙之一隅出现了太阳系以及作为太阳系一个成员的地球。

观看教学片2、地球的演化

首先是地球内部圈层的形成和演化。按照“冷”起源说，形成原始地球的那部分物质的温度开始时比较低，后来在各种因素作用下，重元素下沉形成地核，轻元素上浮形成地幔。其次是地球外部圈层的形成和演化。由于地幔物质增温，被禁锢在地幔物质中的一氧化碳、甲烷、氨等气体逸出地表。形成原始大气圈。早期的大气中含有大量的水汽，由于地表温度下降，水汽便凝结成雨降到地面。经过漫长的地质年代形成了海洋，集聚在大陆上的水形成江河、湖泊以及地下水。这些水息息相通，形成连续的水圈。这样，就形成地球的内三圈（地核、地幔、地壳）和外三圈（岩石圈、水圈、大气圈）。生命形成发展后还有生物圈。再次是地壳运动。根据板块学说，整个地壳被划分为若干个大的板块，板块驮在地幔软流圈之上，随着软流圈的热对流发生移动，由板块的水平运动控制的垂直运动造就了丰富的地貌。3、生命的起源和演化

原始生命的起源和发展需要经过化学进化和生物进化两个阶段。生命起源的化学进化阶段，一般认为在地球诞生之后大约十多亿年的时间。生命起源的化学进化过程大致经历了如下四个阶段：（1）从无机小分子合成有机小分子（2）从有机小分子合成生物大分子（3）从生物大分子组成多分子体系（4）从多分子体系演变为原始生命。如果把演化比作赛场，将寒武纪生命大爆发的不同动物门类与现生动物门类进行对照，人们不难发现，在漫漫五亿多年的时空之旅中，曳鳃动物、星虫动物、箭虫动物、尾索动物和海豆芽等则恪守祖先的原本，忠诚地将祖先的特征、体态、行为和生活方式一代又一代遗传下来。而节肢动物一直在快跑，脊椎动物先是慢走，后来急起直追，沿着鱼类、两栖类、爬行类和哺乳类的方向演化，最后由哺乳类动物分化出了人类。展现了生命的波澜壮阔、多彩多姿。人类是从脊椎动物灵长目中的猿分化出来的。劳动是促成这一进化的重要条件。能制造工具的人类大约出现在距今300万年前。人类的起源和进化大体上分为以下四个阶段：（1）类人猿：在1400万年前。能使用天然工具，但还不会制造工具（2）猿人：大约生存于距今300万到30万年前，是人类的直接祖先，他们已能制造石器，（3）早期智人（古人）：大约出现于20多万年前，他们学会了人工取火，（4）晚期智人（新人）：大约出现在4－5万年前旧石器时代晚期，能够布置陷阱捕捉猛兽，能够摩擦取火，用兽皮等做简易房屋。4、人类的起源和进化如今，人类已经能够在分子水平上通过基因工程来“修改”生命，甚至创造出新的生命形式。当代生命科学已发展到足以改造人类自身，改变人类的自然本性的程度。它已经可以在如下不同层次上对人的生命载体进行技术操作：一是对外形的“修改”或“补充”，如五官整形、断肢再植等；二是对体内器官的治疗和移植，包括天然器官和人造器官的移植；三是在细胞水平上的操作，诸如体外受孕、试管婴儿，以及包括生殖细胞和体质细胞的克隆技术等；四是在分子水平上的操作，如目前正在试验的基因治疗以及通过对人体基因组的修改来改善人的生命质量，使人类发生物性的新进化。1、自组织自组织是指没有外界的特定干预，在事物自身的运动变化规律下支配实现的。自组织使自然物质系统演化过程中的普遍现象，每一个具体形态的物质系统的形成，都可以认为是自组织过程。

二、自组织现象与自组织理论

自组织一般包含着三类过程：由非组织到组织的过程演化；由组织程度低到组织程度高的过程演化；在相同组织层次上由简单到复杂的过程演化。2.自组织理论：系统进化的机制和条件

自组织理论是一个学科群，其中最具代表性的有耗散结构理论、协同学、超循环理论、突变论。各种自组织理论尽管背景和对象有很大的差别，但都试图解决一个普遍性的问题，即从无序走向有序的条件和机制问题，并取得了不同程度的成功。这些理论从不同侧面揭示了在远离平衡条件下的开放系统形成有序结构的可能性。（1）耗散结构

耗散结构是指需要耗散能力才能形成和维持的有序结构。

（比利时化学家）普利高津指出，一个系统的熵变（dS）是由两方面的因素引起的，一个因素是系统与环境相互作用中交换的熵（dSe），称外熵流，另一个因素是系统内部自发产生的熵（dSi），称熵变。系统总熵为：

dS=dSe+dSi对于孤立系统，由于系统和环境之间没有物质和能量的交换，也就不可能产生熵的交换。（2）协同学协同学研究的对象是系统从初始稳定状态经一系列不稳定过程，演化为宏观上具有自组织行为的新状态的一般规律。德国物理学家哈肯在20世纪九十年代提出的。

自然系统进入自组织，必须存在一个反馈通道，它可以通过正反馈的方式放大系统的某种波动或起伏，从而产生新质，加速系统的自组织。比如在城市发展历史上，如果由于某种原因而使某个地方经济发展水平稍高一些，那么它将提供更多的就业机会，从而吸引更多的人口到这里集中，而人口集中又对消费品提出更多的要求，这又促使经济水平的提高，这被称为“城市倍增器”，是一种正反馈机制。三、自组织理论关于系统演化的基本范畴1.无序、有序“序”是描述客观事物或系统内部组成元素之间相互关系的范畴“无序”是指客观事物或系统内各组成部分之间联系、组合或运动的无规则性和不确定性。“有序”指的是客观事物或系统内各组成部分之间联系、组合或运动，在空间、时间、结构功能等方面显示出一定的顺序、规则，具有某种确定性、方向性和规律性。“混沌”是系统演化的一个方向；混沌并不等于混乱，也不是无序，是确定系统内在随机性，是看起来杂乱无章的有序状态，或说是装扮成无序的有序。是无序与有序的统一。2.平衡与非平衡

平衡与非平衡是标志着系统矛盾运动的范畴。平衡是指矛盾双方势均力敌，处于相对静止的状态。非平衡状态是指矛盾双方力量有一定差异，因而处于显著变动的状态。在近乎平衡态的情况下，即使系统开放，它也会返回平衡态的。“非平衡是有序之源”，只有非平衡态才能导致有序，形成稳定的有序结构。怎样实现系统的非平衡态呢？通过来自外部环境的物质流、能量流以及伴随而来的信息流的输入，将系统驱使到远离平衡状态。当系统处在远离平衡态，系统内部各构成要素或子系统之间存在着非线性相互作用时，那么，某种微小的涨落将通过正反馈机制而被放大，使系统跃迁到一个新的稳定有序状态。正因如此，普利高津说：“在非平衡过程中……涨落决定全局的结果”，“通过涨落达到有序”。3.对称与非对称对称是指事物或运动是以一定的中介进行某种变换时所保持的不变性或者同一性。非对称则是变化性或者差异性。系统的对称性破缺状态对应着有序，自然系统的有序化是对称性破缺的结果，正是由于对称性破缺才使系统向有序化、组织化、和复杂化演化。四、自然物质系统演化的方向问题1.可逆与不不可逆可逆与不可逆蚀刻画自然物质系统演化过程的一对范畴。可逆，是指一个物质系统经过某一演化过程，从某种初始状态达到另一种状态，如果存在着另一种过程，使该系统与外界环境完全回到原来的初始状态，则原来的过程称为可逆过程。反之则是不可逆过程。在自然物质的演化过程中，可逆性总是相对的和有条件的，不可逆才是绝对的和无条件的。不可逆才是演化成为可能。进化和退化是自然界中广泛存在的两种趋势和过程。进化与退化之间具有统一性。这种统一性主要表现在以下几方面：（1）进化与退化互相包含。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。生物进化具有不可逆性，灭绝的物种不可能重新出现，但是生物进化之中也有退化，一些结构和功能的进化，同时也就意味着另一些结构和功能的退化；返祖现象的出现，也是生物进化之中的退化。2、进化与退化的对立统一（2）进化与退化同生共存。进化与退化常常是同时存在和同步发生的。它们往