講新自然觀的發(fā)展

1、第三講 20世紀(jì)自然觀的發(fā)展 2020世紀(jì)初，相對論、量子理論以及物世紀(jì)初，相對論、量子理論以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的產(chǎn)生，導(dǎo)致了物理學(xué)領(lǐng)域的質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的產(chǎn)生，導(dǎo)致了物理學(xué)領(lǐng)域的深刻革命，這場革命動搖了形而上學(xué)自然深刻革命，這場革命動搖了形而上學(xué)自然觀的基礎(chǔ)即經(jīng)典力學(xué)。與觀的基礎(chǔ)即經(jīng)典力學(xué)。與1919世紀(jì)相比，世紀(jì)相比，2020世紀(jì)自然科學(xué)的發(fā)展有兩個特點：世紀(jì)自然科學(xué)的發(fā)展有兩個特點： A A科學(xué)向縱深發(fā)展，揭示了小至微觀，大至科學(xué)向縱深發(fā)展，揭示了小至微觀，大至宇觀的層次結(jié)構(gòu)。宇觀的層次結(jié)構(gòu)。 B B科學(xué)向橫向發(fā)展，出現(xiàn)了既高度分化又高度科學(xué)向橫向發(fā)展，出現(xiàn)了既高度分化又高度綜合的整體化趨勢。綜合

2、的整體化趨勢。 1、時空的絕對性和相對性“絕對空間就其本質(zhì)而言，是與外界任絕對空間就其本質(zhì)而言，是與外界任何事物無關(guān)而永遠是相同的和不動的。何事物無關(guān)而永遠是相同的和不動的?！?” “絕對的、真正的和數(shù)學(xué)的時間自身在絕對的、真正的和數(shù)學(xué)的時間自身在流逝著，而且由于其本性而在均勻地、流逝著，而且由于其本性而在均勻地、與任何其他外界事物無關(guān)地流逝著。與任何其他外界事物無關(guān)地流逝著?！迸ｎD牛頓狹義相對論揭示了空間、時間、質(zhì)量和物質(zhì)揭示了空間、時間、質(zhì)量和物質(zhì)運動之間的聯(lián)系運動之間的聯(lián)系否定了牛頓的絕對時空觀，空間和時間不再是與物質(zhì)及其運動無關(guān)的獨立實體，經(jīng)典物理學(xué)中的基本常數(shù)如物體長度、時間間隔、慣

3、性質(zhì)量等都不再是絕對的，而與參考系的與參考系的選擇有關(guān)選擇有關(guān)。物體的運動狀態(tài)、時空特性、慣性質(zhì)量等基本屬性是相對于一定的參考系而言的，因而對它們的測量和認識依賴于參考系的選擇。廣義相對論指出，時間與空間不能離開物質(zhì)而獨立存在，時空的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)取決于物質(zhì)的分布，物質(zhì)存在的空間不是平坦而是彎曲的，物質(zhì)的密度越大，其周圍的空間越是彎曲。 揭示了空間與時間之間，空間時間與物質(zhì)及其運動之間存在的辯證聯(lián)系。2、從存在到演化時間有無方向存在物理學(xué)如牛頓力學(xué) 、相對論、量子力學(xué)F=mdr/dt 把t t，方程形式不變，對時間反演對稱，意味時間無方向性演化物理學(xué)：時間不再是描述系統(tǒng)運動的外在參量，而是和系統(tǒng)的

4、演化相聯(lián)系的，從而是有物理內(nèi)容的時間。熱力學(xué)中的傅立葉方程T(xt)t=-T(xt)x把t t，方程形式變化，時間反演不對稱或?qū)ΨQ性破缺，意味時間方向性在20世紀(jì)，演化的觀念進一步發(fā)揚 耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、突變論，勾畫了自然從存在到演化的畫面，展示了自然演化的不可逆性的序向，提出了“內(nèi)部時間”的新概念，使時間從一個外部參量轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀谎莼膬?nèi)在尺度，展示了自然界演化的分叉、突現(xiàn)方式。v時間箭頭指向：進化或退化 進化一般是指物質(zhì)客體演化中由無序到有序、由低序到高序的趨勢和過程或復(fù)雜性和多樣性的增長。 退化般是指物質(zhì)客體演化中由有序到無序、由高序到低序的趨勢和過程。 序是對系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的聯(lián)系

5、及演化過程性質(zhì)的描述，它表征著系統(tǒng)的組織程度。 度量參量：熵、信息量、序參量熱力學(xué)對演化過程的揭示：卡諾原理：溫度均衡過程必導(dǎo)致做功可能性的喪失熱力學(xué)第二定律： 科學(xué)理論對時間箭頭指向的回答用熵表述為： 一個孤立系統(tǒng)的熵總趨于增大（熵增定律）熵：本義是表征系統(tǒng)的狀態(tài) 宏觀意義表征系統(tǒng)能量分布的均勻程度 （能量平均狀態(tài)是熵值達到最大的狀態(tài)） 微觀意義表征系統(tǒng)內(nèi)部粒子的無序程度考察熱力學(xué)能量從有效到無效狀態(tài)的轉(zhuǎn)化從較高集中程度向較低集中程度的轉(zhuǎn)化從有序狀態(tài)向無序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變 生物進化論的演化方向： 從簡單到復(fù)雜 對熱力學(xué)第二定律與生物進化論的矛盾的解決 dS=deS+diS式中，deS稱熵流，可為正

6、，也可為負，也可為零，diS是內(nèi)部的熵產(chǎn)生，這部分絕對不會為負，即diS0。孤立系統(tǒng) des0，dsdis0，熵增 封閉系統(tǒng) des0，ds0，熵增開放系統(tǒng) des0，且desdis，則ds0 熵減耗散結(jié)構(gòu)理論 在自然界中進化和退化這兩種演化方向都存在它們都具有一定的普遍性，但都不是唯一普適的現(xiàn)象。進化和退化的統(tǒng)一性 進化與退化相互包含以進化為主的過程往往內(nèi)在地包含著退化。同樣，以退化為主的過程也常常內(nèi)在地包含著進化。 進化與退化同存共生進化與退化常常是同時存在和同步發(fā)生的。它們往往是一個過程的兩個方面。 進化與退化的相互交替 進化與退化往往是交替進行相互轉(zhuǎn)化的。進化過程在一定條件下會轉(zhuǎn)入退化

7、。退化過程在一定條件下也可以轉(zhuǎn)入進化。 世界圖景的多元格局無時間性圖景有時間性圖景向高熵發(fā)展向低熵發(fā)展3、自然的簡單性與復(fù)雜性統(tǒng)一自然界不作無用之事，只要少做一點就成了，多做了卻是無用；因為自然喜歡簡單化，而不愛用什么多余的原因夸耀自己 -牛頓自然規(guī)律的簡單性也是一種客觀事實，而且真正的概念體系必須使這種簡單性的主觀方面和客觀方面保持平衡。 愛因斯坦自然的規(guī)律性 ：表明自然具有機械性的確定性、固有的秩序、決定性、必然性、和單一因果關(guān)聯(lián)等還原性自然的外在分離性自然的祛魅 對稱性 可逆性復(fù)雜性它表現(xiàn)為一種眾多因素相互作用的一種狀態(tài)。不可還原，超越還原的特征 涌現(xiàn)例：氫和氧原子組成了水，氫它有可燃性

8、，作為氧原子組成的氧氣，它有助燃性，但是，當(dāng)我們把氫和氧原子組合在一起，變成水這樣一種液態(tài)，或者是其他狀態(tài)，它這兩個性質(zhì)都沒有了 具有分形的特征，自嵌套，自分叉，自相似非集中控制性 自組織非集中控制性 自組織在與環(huán)境的交換中，通過自組織形成耗散結(jié)構(gòu)，即遠離平衡的非線性區(qū)形成的，并且以能量的耗散來維持自身穩(wěn)定性的，不以外界的微小擾動而消失的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)。如貝納德花紋 耗散結(jié)構(gòu)：4、世界的決定性與非決定性統(tǒng)一在牛頓力學(xué)的機械傳統(tǒng)里，一切自然過程都服從決定論性的因果律。這中決定論性的因果律人們也稱之為機械決定論或拉普拉斯決定論。愛因斯坦始終認定“上帝不會擲骰子”。 統(tǒng)計熱力學(xué)：概率引入科學(xué)，表

9、明群體行為的規(guī)律已喪失了確定性，只能以 確定的概率加以預(yù)言量子力學(xué)在自然觀上的貢獻(1)豐富了辯證唯物主義的物質(zhì)觀，揭示了物質(zhì)世界的波粒二相性，證明了世界的統(tǒng)一性；否認了形而上學(xué)自然觀的“非此即彼”，承認了物質(zhì)世界是“亦此亦彼”的。揭示了物質(zhì)世界是建立在連續(xù)與非連續(xù)，粒子性與波動性之上，不能擺脫一者去認識另一者，不能將它們隔離開來，是粒子與波動，連續(xù)與階段的統(tǒng)一。因為量是連續(xù)的，所以運動也是連續(xù)的。時間是關(guān)于前和后的運動的數(shù)，并且是連續(xù)的。 亞里士多德自然界是不允許飛躍；自然界里的一切都是以著色的方法逐漸而均勻地完成的。如果在兩個東西之間有一個空的間隔，那么從一個東西過渡到另一個東西有什么基礎(chǔ)

10、呢。 波涅特(2) 牛頓力學(xué)固有的嚴格決定論的數(shù)學(xué)微分方程、因果律，在量子世界圖景中都或多或少地遭到了破壞。 量子力學(xué)的基本方程薛定格方程，也是一個微分方程，根據(jù)初始條件得到的方程的解是量子力學(xué)中的波函數(shù)。波函數(shù)描述微觀粒子的運動狀況，但它不能確定地表示一個微觀粒子在何時何地出現(xiàn)，只告訴我們微觀粒子在某時某地出現(xiàn)的幾率。量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原理明白無誤地表明，對于微觀粒子，位置和動量不能同時測定，時間和能量也不能同時測定，如果其中一個兩測得越準(zhǔn)，另一個量越測不準(zhǔn)。所以在微觀領(lǐng)域，那種決定論性的因果律，不再起作用，替代它的是統(tǒng)計性的因果律。 混沌理論是對決定論的又一次挑戰(zhàn)混沌理論是對決定論的又一次

11、挑戰(zhàn)正是在這種意義上，格萊克說：“混沌是20世紀(jì)物理科學(xué)中的第三次革命，就像前兩次革命一樣，混沌割斷了牛頓力學(xué)的基本原則?！被煦缍x 包含有序的特殊狀態(tài) 宏觀無序無律、微觀有序有律的狀態(tài) 與規(guī)則運動相對的行為混沌是指發(fā)生在確定性系統(tǒng)中的貌似隨機的不規(guī)則運動 特性-混沌對初始條件具有敏感依賴性，任何一處微小的變化都會使系統(tǒng)在隨后的發(fā)展中發(fā)生預(yù)想不到的變化。-混沌理論揭示出確定性系統(tǒng)的“內(nèi)在隨機性”，體現(xiàn)了隨機性存在于確定性之中，確定性自己規(guī)定自己為不確定性確定性系統(tǒng)自己產(chǎn)生了隨機運動。它從根本上消除了拉普拉斯決定論的可預(yù)測性的狂想。所謂漲落，是指系統(tǒng)中某個變量或行為對統(tǒng)所謂漲落，是指系統(tǒng)中某個變

12、量或行為對統(tǒng)計平均值的偏離。計平均值的偏離。 37 系統(tǒng)中存在漲落是不可避免的，它是一系統(tǒng)中存在漲落是不可避免的，它是一切實際系統(tǒng)固有的特征。切實際系統(tǒng)固有的特征。 38漲落所起的作用與系統(tǒng)所處的狀態(tài)有關(guān)。漲落所起的作用與系統(tǒng)所處的狀態(tài)有關(guān)。 當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定時，漲落還僅僅是一些小的當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定時，漲落還僅僅是一些小的干擾而已，它會由于系統(tǒng)自身的抗干擾能力而逐干擾而已，它會由于系統(tǒng)自身的抗干擾能力而逐步衰減，從而使系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)。步衰減，從而使系統(tǒng)回到原來的狀態(tài)。 但是，如果系統(tǒng)處于遠離平衡的不穩(wěn)定態(tài)，但是，如果系統(tǒng)處于遠離平衡的不穩(wěn)定態(tài)，即在臨界點附近，微小的漲落才會得以放大，變即在臨界點附近，微小的漲落才會得以放大，變成具有宏觀尺度的成具有宏觀尺度的“巨漲落巨漲落”，從而使系統(tǒng)一下，從而使系統(tǒng)一下子躍遷到一個新的有序狀態(tài)子躍遷到一個新的有序狀態(tài)3940這是一個偶然性與必然性相互影響的過程。這是一個偶然性與必然性相互影響的過程。