《自然辩证法》课件.ppt

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1、1可逆与不可逆如果系统从某一状态变到另一状态后，能够再回复到原来的状态，并且同时使系统的环境也回复到原状，这样的过程就是可逆过程。通常用数学语言加以刻画。人们把映射t-t称作时间反演变换。如果描述一个过程的动力学方程在时间反演变换下保持不变，则称该过程是时间反演对称的，亦即为可逆过程二自然界的系统演化（一）可逆性与不可逆性（是否有时间箭头)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=mdr/dt把tt，方程形式不变，对时间反演对称，意味时间无方向性演化物理学：时间不再是描述系统运

2、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T(xt)t=-T(xt)x把tt，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（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或复杂性和多样性的增长。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

3、型的变化是创造性的推进”，它标志着真正的进化。对称和破缺对称是指一定变换下的不变性。这样的状态实际对应着无序破缺指一定条件下所表现的可变性，或对称性的降低，对应着系统的有序状态。复杂性和层次结构正是起源于某种对称性的破缺热力学对演化过程的揭示：卡诺原理：温度均衡过程必导致做功可能性的丧失热力学第二定律：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2科学理论对时间箭头指向的回答用熵表述为：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

4、征系统内部粒子的无序程度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

5、上的失事船只中的旅客。-维纳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diS0。孤立系统des0，dsdis0，熵增封闭系统des0，ds0，熵增开放系统des0，且desdis，则ds0熵减耗散结构理论在与环境的交换中，通过自组织形成耗散结构，即远离

6、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混沌学：混沌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

7、相似性通向混沌的道路倍周期分岔道路周期成倍变化进入混沌Xn+1=BXn(1Xn）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%B1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处时，种群量绕两个值震荡时，分岔产生围绕四个不同值的种群的震荡，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。茹勒-泰肯道路通向混沌(三体相互作用)庞加培:大多数二体

8、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。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。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，“

9、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。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（三）自然演化的自组织机制 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

10、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s=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平衡态系统也不可能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不过有人分析,普里高津的最小熵产生原理的适用条件相当苛刻

11、,不具普适性.反过来说,就是系统演化不必一定远离平衡态。D远离平衡态形成的条件(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。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 所谓分叉指系统的控制参数变化到临界点 时,可以出现多个分支,即多个演化方向.由此带来演化的多样性和复杂性。l产生临界效应例2 分叉 考察一维系统例2 分叉 考察

12、一维系统它的不动点方程是当 时,只有一个实数解 ,代表系统的稳定平衡态。当 时,有三个不动点,代表3个平衡定态:可证明,此时的 为不稳定的,与 为稳定的.为分叉点,当 a a 从负向增大而跨过这一点时,系统一个定态变为3个定态,定态 =0=0 由稳定变为不稳定,标志系统的定性性质改变了.除了这一点外,a a的变化只能引起系统的量变。(4)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，

13、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。耗散结构机理图结构功能涨落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）自然系统演化的基本方式1分叉：稳定性和不稳定性无论进化或退化，都显现为从一种稳定性向另一种稳定性性的运动，新的稳定性是在旧的稳定性失稳，系统瓦解后，重新建立起来的。2突现：突发性、间断性和不可预测性分叉理论说明，在演化过程中，从原有的稳定态向新的稳定态过渡，在时间轴上是一个点

14、或一个极小的区域，也就是以突变的方式发生的。3“内在随机性”：确定性和随机性（必然性和偶然性）牛顿力学：必然性统计热力学：概率引入科学，表明群体行为的规律已丧失了确定性，只能以确定的概率加以预言量子力学：量子过程本质上只遵循一定的统计规律，统计行为是微观客体的固有本性系统理论：系统的自组织过程中，既包含了决定性的作用，又包含了偶然性的作用远离平衡态系统从外界吸取负熵，形成某种有序稳定的自组织结构，这是一种严格的稳定性，一种必然性，另一方面在自组织的过程中，存在着某种随机涨落的放大，自组织系统因而需概率论的描述混沌学揭示偶然性甚至产生于必然性服从确定性方程，具有内在的随机性不确定行为不是来源于外

15、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。（五）自然界运动转化的守恒性（五）自然界运动转化的守恒性1自然界中运动转化普遍存在2运动转化的守恒性量和质两个方面去把握运动转化的守恒性。（六）、自然界循环发展的周期性（六）、自然界循环发展的周期性1自然界演化的周期性周期性指事物在运动、发展中表现出的一种属性，它使事物沿时间轴的变化经过一定的时间(周期)以后，向其原来的出发点复归。自然界演化发展中的这种复归，不是一种简单的回复，而是在总的趋势上呈现上升的特征，即辩证法所理解的否定之否定的过程。物质系统演化的周期性，在自然界中是普遍存在的。2自然界循环发展的无限性小结系统自然观确立的意义:丰

16、富和发展辨证唯物主义自然观提供了系统的思维方式还原性思维的局限性：通过运用还原和分离的原则将研究对象从缤纷复杂的世界中抽取出来，将对象分解为各个部分，并通过对各个部分的分析研究，运用叠加原理形成关于对象的认识，这样对复杂现象或对象的认识就归化为对支配这些现象和对象的基本单元的普遍性认识。在这种研究中，认识对象能够从其环境中割裂出来，和认识主体相分离，在认识过程中不受认识主体的任何影响整体性是系统的本质特征。当低层次系统作为要素加入高层次系统之后，由于要素之间的相互联系和作用，它的属性和功能就会受到某些约束。新的物质层次出现之后，新质也随之出现。可见，还原论是错误的。当人们试图按照对象的简单性特

17、性来揭示自然时，发现处处碰壁。比如人们按分析的思路探寻世界的基元时，出现了“夸克禁闭”。被分析方法所割舍的东西重新纳入研究视野时，我们发现它们显示出了日益重要的作用。庞培尔发现第三个天体对日地关系的影响有时是非常巨大的，它会使太阳系的行为象醉汉似的飘乎不定，甚至导致太阳系的解体。系统思维并非绝对排斥还原方法列宁指出，“如果不把不间断的东西割断，不把活生生的东西简单化粗陋化，不加以划分，不使之僵化，那么我们就不能想象、表达、测量、描述运动。思想对运动的描述总是粗陋化、僵化。不仅思想是这样，而且感觉也是这样；不仅对运动是这样，而且对任何概念也都是这样”。玻尔也提到不使用简单思维无法从事科学研究，他

18、以狗作比喻，认为要想保持狗的机体处于生命状态的相互作用是不可能在“活体之内”加以研究的，为了适当研究它们，只能把狗杀掉。正确认识自然，系统的思维方式是必要的复杂性思维科学发展将自然界本身的复杂性凸现出来，世界不再简单，而是简单与复杂、有序与无序、确定性与偶然性、线性与非线性、渐变与突变、稳定与非稳定、渐变与突变的统一。复杂性的根源：系统规模、系统结构、开放性即环境的复杂性、动力学特性、非平衡态、非线形、不确定性芒得勃罗提出的英国海岸线有多长？运用复杂性思维应遵循如下几条原则：1、系统性原则2、历史性原则。普利高津曾说过，人们只能根据其历史和过程来理解一个复杂系统。任何一个事物都处于演化的过程中，其演化发展受内部要素和环境的影响，体现为确定性和偶然性的统一。因此对事物的考察一定要将之放在一个具体的演化的框架中，使历史和事件参与到对事物的解释和说明中。3互补原则如量子领域中，物质的波动性和粒子性都具有事实和理论的支持，可以将物质看作两者的统一。