第二讲 自然科学视

第二讲自然科学视界中的

自然界图景自然界的系统性自然界的信息性自然界的不可逆性自然界的复杂性特征一、自然界的系统性（一）系统的特点系统含义：系统是“处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各组成部分的总体”。特点：

1)任何系统都有要素（性能、数量、种类、关系）。

2）各种要素通过相互关系结合成一定结构。

3）具有结构的系统处在一定的环境中。

4）任何系统都具有功能。

小螺丝毁掉大公司2010年7月2日，摩尔多瓦共和国“汽车大王”格尔德·波恩宣布：旗下的克莱斯勒汽车公司破产！1994年，从事汽车制造业30多年的格尔德购买了美国克莱斯勒汽车的制造技术，谈判时，精明的格尔德对克莱斯勒汽车进行了拆解，最终认为其中的一颗通用型螺丝完全不需要美国技术支持，在自己国内生产不成问题，这样可以省下一笔转让费。虽然投产后开始市场反应不错，但很快他生产的汽车故障率极高，因为一颗螺丝松动而引起的方向盘掉落、轮胎飞离等故障和车祸就占了问题汽车的80%。克莱斯勒能成为汽车三大巨头之一，与每一颗螺丝的精湛技术和检测标准相关，如一颗M6螺杆，外径在5.974—5.978毫米之间，同时对内径、牙距、材质、表面处理等指标都有非常明确和严格的规定；可是摩尔多瓦虽然生产螺丝的工厂众多，但没有哪个型号不含次品，所有人都认为只要螺丝能拧上去就行了，对于那些“相差不能超过0.004毫米”的规定，或者闻所未闻，或者不屑一顾。最后，当一笔笔赔偿单摆在格尔德面前时，他无力回天，宣布破产。（二）整体和部分的关系加和性，即1+1=2。非加和性，即1+1>2。整体和部分相互约束。整体中部分不等于孤立状态下的部分。不同整体中的同一部分有不同特性或功能。二、自然界的信息性（一）对物质和信息关系的认识区别：“信息就是信息，不是物质也不是能量，不承认这一点的唯物论在今天就不能存在下去。”（N.维纳)联系：信息是物质的普遍属性和存在方式。物质是信息的载体，信息与物质同在。二、自然界的信息性（二）信息的本质1.日常经验层次的信息概念：信息是携带新内容新知识的消息。2.自然科学层次的信息概念申农的信息概念：信息是通信系统的一种普遍联系方式，是消除了的不确定性。维纳的概念：信息即负熵。“信息是我们适应外部世界，并且使这种适应为外部世界了解的过程中同外部交换来的内容的名称”二、自然界的信息性关于信息本质的几个辨析认为信息是独立的物质实体，以信息场的形式存在。认为信息是非物质的精神，是纯粹的精神活动。认为信息不仅是物质的、而且也是观念的。认为信息既非物质也非精神，是“某种第三者”二、自然界的信息性（三）怎样捕捉信息？信源信宿信道

信息

信息

信息三人成虎庞葱与太子质于邯郸，谓魏王曰：“今一人言市有虎，王信之乎？”王曰：“否。”“二人言市有虎，王信之乎？”王曰：“寡人疑之矣。”“三人言市有虎，王信之乎？”王曰：“寡人信之矣。”庞葱曰：“夫市之无虎明矣，然而三人言而成虎。今邯郸去大粱也远于市，而议臣者过于三人矣。愿王察之。”王曰：“寡人自为知。”于是辞行，而谗言先至。后太子罢质，果不得见。

——《战国策·魏策二》

1873年

《反杜林论》姊妹篇

哲学德国天空——茶书三、自然界演化的不可逆性“我们正越来越多地觉察到这样的事实,即在所有的层次上,从基本粒子到宇宙学,随机性和不可逆性起着越来越大的作用。”—《从混沌到有序》P26“我们发现我们自己处在一个可逆性和决定性只适用十分有限的简单情况,而不可逆性和随机性却占据统治地位的世界之中。”—《从混沌到有序》P40普里高津三、自然界演化的不可逆性（一）三种时间观：牛顿不变时间观热力学退化时间观达尔文进化时间观（二）两种冲突：可逆与不可逆冲突进化与退化冲突（三）耗散结构理论解决了进化与退化的矛盾三、自然界演化的不可逆性1.开放系统：与环境交换物质、能量、信息的系统。系统熵变公式：ds=dis+des,其中，ds表示系统的总熵；dis表示系统内部所产生的熵，叫做熵产生，根据热力学第二定律dis>0；des表示系统与环境交换的熵，叫做熵流，可正可负。系统状态分析图表第一种情况孤立系统

当des=0时，ds=dis>0

无序第二种情况开放系统当des>0时,ds=dis+des>0

无序第三种情况开放系统当des<0时且|des|<dis时，ds=dis+des>0无序第四种情况开放系统当des<0时,且|des|＝dis时，ds＝0宏观结构不变第五种情况开放系统当des<0时,且|des|>dis时，ds=dis+des<0有序三、自然界演化的不可逆性2.远离平衡态：平衡态处处均匀，无序；近平衡态有一定的差异，最终会趋向无序；趋使系统远离平衡状态依靠开放及内在因素。非平衡是有序之源非平衡需要对系统进行强约束三、自然界演化的不可逆性3.正反馈：起着放大系统内部差异的作用4.非线性作用恩格斯：“相互作用是事物的真正的终极原因”相互作用有线性和非线性之分，应该说非线性是事物存在和发展的终极原因普里高津：“对于耗散结构所必须的另一个基本特征是在系统的各个元素中存在着一种非线性机制。”非线性三个特点：相干性、非加和性、多重选择性线性特点：独立性、叠加性、单一性歧路亡羊

杨子之邻人亡羊,既率其党;又请杨子之竖追之.杨子曰:"嘻!亡一羊,何追者之众"邻人曰:"多歧路."既反,问:"获羊乎"曰:"亡之矣."曰:"奚亡之"曰:"歧路之中又有歧焉,吾不知所之,所以反也."《列子·说符》三、自然界演化的不可逆性5.巨涨落孤立系统和开放系统中的涨落其表现不同：孤立系统—忽略不计，开放系统—巨涨落。分叉点上系统有序结构的重新形成取决于在外部环境影响下系统内部快速增长的巨涨落。涨落导致有序（普利高津）

意义：不可逆性在自然界系统的演化中具有建设性作用

伦敦上空的云街牛津上空的云街四、自然界的复杂性特征（一）整体性和还原性的统一（二）有序和无序的统一（三）确定性和不确定性的统一（四）可逆性和不可逆性的统一（五）竞争性和协同性的统一（六）简单性和复杂性的统一三个“妖精”案例从纵向揭示了

自然界怎样的图景？

拉普拉斯妖：1814年，拉普拉斯（Laplace）在其《概率的哲学短论》中作了如下表述：“我们应当把宇宙的现在状态看作是它先前状态的效果，随后状态的原因。暂时设想有一位神灵，它能够知道某一瞬间施加于自然界的所有作用力以及自然界所有组成物各自的位置，并且它能够十分广泛地分析这些数据，那么，它就可以把宇宙中最重物体的运动和最轻的原子运动，均纳入同一公式之中。对于它，再没有什么事物是不确定的，未来和过去一样，均呈现在它的眼前。”这种能够预知事物某一时刻确定状况的“神灵”被称为“拉普拉斯妖”。麦克斯韦妖麦克斯韦妖：1871年，，麦克斯韦(Maxwell)在它的《热的理论》一书中假象有这样一个神通广大的“妖精”，它能跟踪充满容器的每个气体分子的运动。把这个容器用一道隔板分为A、B两部分，并在隔板上安装一个阀门，当阀门打开时单个气体分子可以从容器的一部分经过阀门进入另一部分去。假设这个容器起先完全充满了一定温度的气体，按照热的动力论，一定的温度对应于一定的平均速度。因为气体分子运动具有随机性质，有的分子的速度大于平均值，有的则小于平均值。那么，通过在适当时刻打开隔板上的阀门，妖精就能让快的分子从A进入B，慢的分子从B进入A，结果不须消耗能量，B部分的温度就上升，A部分的温度就下降。整个容器或者系统正是在这个“妖精”的作用下从原来的混合均匀无序状态实现向非均匀、非对称的有序状态转化。克劳修斯妖克劳修斯妖（熵妖）：1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯(Clausius)提出了热力学第二定律：“热量总是从高温物体传到低温物体，不能作相反