自然界的物質及其存在方式

第三章自然界的物質及其存在方式

——現代科學視野中自然界的存在圖景劉冠軍（首都經濟貿易大學馬克思主義學院）

恩格斯的三句話：1“當我們深思熟慮地考察自然界或人類歷史或我們自己的精神活動的時候，首先呈現在我們眼前的，是一幅由種種聯系和相互作用無窮無盡地交織起來的畫面，其中沒有任何東西是不動的和不變的，而是一切都在運動，變化，產生和消失?！薄斗炊帕终摗?自然界的物質“不僅有相互鄰近的歷史，而且也有先后相繼的歷史?！薄蹲匀晦q證法》3“自然界不僅存在著，而且生成著或消逝著?！薄蹲匀晦q證法》恩格斯的三句話至少包含了兩層涵義：第一，自然界“是一幅由種種聯系和相互作用無窮無盡地交織起來的畫面”。自然界中的物質，在空間上有“相互鄰近”的歷史?！@是本章要闡釋的內容第二，自然界中“沒有任何東西是動的和不變的，一切都在運動、變化、產生利消失”。自然界中的物質，在時間上有“前后相繼”的歷史?！@是下一章要闡釋的內容第三章自然界的物質及其存在方式

——現代科學視野中自然界的存在圖景

本章主要是從空間的角度對自然界考察的結果主要有兩個問題：1自然界存在著的“是什么”？2自然界是“怎樣”存在著的？分為四節(jié)的內容：第一節(jié)自然界的物質及其形態(tài)——回答第一個問題第二節(jié)自然界物質聯系的系統方式第三節(jié)自然界的層次結構回答第二個問題第一節(jié)自然界的物質及其形態(tài)

——自然界的物質觀或物質自然觀內容：一、自然界的物質及其根本特性二、自然界物質形態(tài)的多樣性三、自然界物質形態(tài)的統一性四、物質不滅原理一、自然界的物質及其根本特性1自然界存在著的是什么？辯證唯物主義的答案——物質2自然界物質的根本特性是什么？列寧在《唯物主義和經驗批判主義》一書，在給“物質”下定義的時候，給出了明確的答案?！拔镔|是標志客觀實在的哲學范疇，這種客觀實在是人通過感覺感知的，它不依賴于我們的感覺而存在，為我們感覺所復寫、攝影、反映?！钡谝?，列寧的“物質”概念肯定了物質的最根本特性——客觀實在性肯定了自然界物質的客觀實在性，其意義在于：一方面，肯定了物質對于意識根源性，物質的第一性、本原性另一方面，肯定了意識對物質的依賴性，意識的第二性、派生性對自然科學來說，意義重大自然界物質是自然科學的基礎，是不依賴自然科學是否對它研究而存在的——這是進行自然科學研究的最基本的范式或思想。愛因斯坦：“相信有一個離開知覺主體而獨立存在的外在世界，是一切自然科學的基礎”。月亮不管有無人觀察它，基本粒子不管有無人研究它，它都存在著第二，列寧的“物質”概念，肯定了自然界物質的根本特性之二——可知性。自然界中的物質，不管人們感覺是否能夠直接感知它們，它們都具有可知性，都是可以被人們所認識的。如，眼睛的視覺波段是，在“可見光”范圍內，“紅橙黃綠青藍紫”，而其它波段，可以借助于其它儀器，照樣能夠研究它。如，人們制成的射電望遠鏡，就能觀察在“可見光”范圍之外的其他波段，因此天文學在20世紀60年代有四大發(fā)現——脈沖星、類星體、微波背景輻射、星際有機小分子第三，列寧的“物質”概念揭示了自然界物質的客觀實在性、可知性，是一切物質形態(tài)的共性——具有最高的抽象性、普遍性不管是自然界中被人們認識到的物質，還是自然界中尚未被人們認識到的物質，都具有這兩性二、自然界物質形態(tài)的多樣性自然界存在著的是物質，而自然界物質顯現出來的是什么呢？是物質形態(tài)自然界的物質形態(tài)首先表現出無限多樣性——這是物質根本性質的具體展開，是根本屬性的具體化對于“自然界物質形態(tài)的多樣性”可以從不同的角度，用分類的方法去把握它。在此，介紹三種分類方法宏觀自然界微觀自然界太陽系、恒星、恒星團、星系（銀河系、河外星系）、星系團，超導系團、類星體、總星系等。其中，恒星包括：紅外星、主序星、紅巨星、高密星體（白矮星、墨矮星、中子星、墨洞）等。星系包括：棒狀星系、橢圓球體星系、旋渦星系、不規(guī)則星系等。自然界非生命界生命界動物界——目前地球上已知的動物大約有150萬種植物界——據今所知，生存的植物達30多萬種

微生物界——主要是一些細菌、病毒等

地球及其上的各種物質形態(tài)

地核、地幔、地殼、大氣圈、水圈、巖石圈等

太陽系及其中的各種物質形態(tài)“我們的宇宙”中的各種物質形態(tài)太陽、九大行星、慧星、數量達2000多顆的小行星、星云（彌漫在宇宙空間的尖埃）等分子——由原子組成，包括單原子分子、雙原子分子、多原子分子等原子——原子核與電子組成，原子核——質子與中子組成基本粒子——包括：重子類、輕子類夸克，等——上夸克，下夸克，奇異夸克及它們的反夸克

種類繁多結構復雜形態(tài)多樣1.根據有無生命、規(guī)模等進行分類：2.根據其狀態(tài)的不同，被劃分為六態(tài):固態(tài)：石頭、鐵塊多種晶體液態(tài)：常溫下的水、高溫下的鐵、鋼等氣態(tài)：大氣、水蒸汽等離子態(tài)：當氣態(tài)物質溫度高達幾千度時，氣體原子中的電子脫離原子，使原子成為帶電的離子，這種氣體就是等粒子體。超密態(tài)：也稱為超固態(tài)，各種高密星體、中子星。中子星密度達：1014~1015

克/厘米3矮星的密度為：105~108克/厘米3真空場：稱為基態(tài)的量子場有人認為還有第七種態(tài)：反物質態(tài)如基本粒子的反粒子3、根據是否具有連續(xù)性，分為兩類：實物粒子：是自然界以不連續(xù)的、間斷的形式存在著的物質形態(tài)大到天體：地球及以上的物質，太陽系，銀河系、河外星系、星系團……總星系小到基本粒子：分子、原子、原子核、核子……場：是實物粒子周圍存在的一種特殊物質，是自然界以連續(xù)的、不間斷的形式存在著的物質形態(tài)

電場、磁場、引力場、介子場等場是法拉第提出的。將“場”定義為：它是“以太的緊張狀態(tài)，如同被壓縮或拉伸的彈簧一樣?！边@是一種不科學的定義，因為：以太不存在；比喻性、擬人化的解釋實際上，場與實物粒子相對應，是實物粒子周圍連續(xù)存在物質形態(tài)。它也是自然界物質的一種基本形態(tài)，因為：a、場也有質量、能量、動量等基本屬性b、赫茲在19世紀通過實驗證明了電磁場的存在c、麥克斯韋考察：場也是一種客觀存在d、電磁場除波動性外，還有粒子性場和實物粒子的區(qū)別：實物粒子場具有靜止質量只有運動質量而無靜止質量實物粒子的速度不能超過光速，且小于光速（愛因斯坦將它作為狹義相對論的一個結論）場的速度是一個定值，等于光速3×108m/s。（愛因斯坦將狹義相對論的一個基本原理）實物粒子的速度隨著參考系的不同而變化場的速度不受參考系的影響實物粒子有一定的體積場彌漫于整個宇宙空間實物粒子具有不可入性場具有疊加性三、自然界物質形態(tài)的統一性

1.自然界的物質形態(tài)在化學元素上的統一性；⑴天與地在化學元素上具有統一性即構成地球上物質的化學元素與構成天體的化學元素是相同的。對地球上物質的化學元素的認識，歸功于近代的化學對天體化學元素的研究，首先歸功于19世界誕生的光譜分析法。光譜分析法：說明組成太陽、行星的元素與地球上是相同的。當時發(fā)現“氦”，被命名為“太陽上的元素”，后來在地球上也發(fā)現了。20世紀以后，隨著射電天文學、空間科學技術的發(fā)展，對恒星、銀河系、河外星系等的化學元素的分析發(fā)現：發(fā)現，它們的化學組成與地球上也是一樣的。⑵生命界和非生命界在化學元素上具有統一性即構成生命體的化學元素與構成非生命體的化學元素是相同的。現代科學已以揭示出，組成生命的主要元素：C、H、O、N、P、S、Cl、Na、K、Ca、Mg、Fe、最多，占98%。而還有一些微量元素：鍺、硒等，不是1%這些元素與構成非生命體、無機體的化學元素是一樣的2.自然界的物質形態(tài)在基本粒子層面上的統一性——這是在微觀層次上的統一性人們對微觀世界的認識經歷了一個漫長逐步深入的過程。19世紀，道爾頓的原子論、阿弗伽德羅的分子學說，坎尼扎羅的原子—分子學說20世紀初，隨著原子物理學的創(chuàng)立，人們探討原子的內在結構。如湯姆生的原子均勻模型、盧瑟福的原子有核模型、玻爾的原子結構模型此后，人們又深入到原子核的內部。如海森堡和伊凡寧柯提出原子核的結構理論。20世紀以后，基本粒子被越來越多地發(fā)現，創(chuàng)立了基本粒子物理學?，F在人們已經發(fā)現了四百多種基本粒子。為了探討這些基本粒子的結構，創(chuàng)立了各種“強子”模型：“費米—楊振寧”模型、“板田復合”模型、“夸克”模型、“層子模型”等這樣，自然界的物質形態(tài)在夸克、層子等基本粒子層次上的統一性，因為這些物質形態(tài)都是（夸克、房子）組成的3.物質守恒、能量守恒及物質與能量的內在聯系，揭示了自然界物質形態(tài)的統一性包含了三個方面：⑴各種實物粒子之間的轉化以及在質量、電荷等方面的守恒性（物質守恒），從實物粒子角度證明了自然界物質形態(tài)的統一性化學領域：水→氫氣+氧氣表明：物質形態(tài)轉化，但總質量守恒原子核物理學：P++e→n或n→e+P+表明：質子能轉化為中子，中子也能轉化為質子，但總質量、電荷數是守恒的⑵各種能量形式之間的轉化與守恒性（能量守恒），從能量的角度證明了自然界物質形態(tài)的統一性能量轉化：機械能→熱能→電能→光能→…能量守恒：總能量不變⑶質量和能量相互轉化的規(guī)律，證明了自然界物質形態(tài)的統一性；E=mc2表明：能量和質量能夠轉化轉化時，按照嚴格的比例關系來轉化，比例關系是C2以質量為度量的物質和以能量為度量的運動，具有統一性4.實物粒子和場的內在聯系，證明了自然界物質形態(tài)的統一性任何物質粒子周圍都存在著場，有多少中實物粒子就有多少種場；如：電荷周圍有電場，地球周圍有引力場，核子周圍有核子場，人的周圍——什么場？任何場都是實物粒子的場，每一種場都有與之對應的實物粒子；電場，對應著的實物粒子：電荷磁場，對應著的實物粒子：運動的電荷實物粒子和場是能夠相互轉化的。（這在微觀領域中非常明確）電子和正電子相遇，產生“湮滅”現象，實質是轉化為光子（場、電磁波）同樣，在核子場中，光子→正電子+電子四、物質不滅原理1.原理的內容：自然界中的物質，就具體的物質形態(tài)而言是有生有滅的，但某一物質形態(tài)的消亡，必然伴隨另一物質形態(tài)的產生；因此，就自然界整體而言，自然界中的物質是某種既成的東西，是既不能創(chuàng)造，也不能消滅的東西，物質本身是不滅的。這是從質上對自然界物質的特性的揭示這是對自然界科學大量事實的概括和總結，表現在諸多的科學領域。2.表現：化學領域：

H2O→H2↑+O2↑

反應前后總質量、總能量不變相物理學領域：固態(tài)冰→液態(tài)水前后總質量、總能量不變愛因斯坦的質能關系式：E=mc2說明：靜止質量和運動質量的變化與守恒。“質量虧損”說明的是：靜止質量轉化為能量（即運動質量）第二節(jié)自然界物質聯系的系統方式

——自然界的系統觀或系統自然觀內容：一、系統及系統方式二、自然界物質系統的類型（多樣性)三、整體與部分：系統的基本矛盾之一四、漲落與穩(wěn)定：系統的基本矛盾之二一、系統及系統方式1.什么是系統？系統的定義：

“系統是由兩個或兩以上的要素組成的，在一定的環(huán)境中，具有特定結構和功能隨機整體?！焙x：⑴系統是由兩個或兩個以上的要素構成的要素：構成系統的基本組成部分或基本單元，相對于系統來說，也稱為子系統⑵系統是具有特定結構的整體

結構：系統中各種關系和各種聯系的總和⑶系統是處在一定環(huán)境中的整體環(huán)境：是系統賴以存在的各種外部條件的總和⑷系統是具有特定功能的整體。功能：系統在外部環(huán)境中所表現出來的特性和能力，是系統整體屬性的一種體現。系統功能的分類：元功能：系統中單一要素所具有的功能；本功能：元功能的機械相加，或系統中各要素的功能之和；構功能：系統中各要素以特定的聯系表現出來的功能。2.什么是系統方式：定義：是自然界的事物之間以系統為基礎普遍聯系的一種方式。特點：⑴系統方式具有普遍性自然界中的任何事物都可以看作是一個系統宏觀上：天體系統微觀上：分子系統、原子系統、原子核系統生命界：生命系統⑵系統方式具有復雜性，表現出聯系的復雜性系統要素之間的聯系系統要素與系統整體的聯系系統與環(huán)境的聯系系統要素、環(huán)境與功能之間的聯系二、自然界物質系統的類型展示了自然界物質系統的多樣性不同的分類方法，形成了不同的系統類型1從系統所處的狀態(tài)來劃分

平衡態(tài)系統：系統內部各要素之間沒有差別的相互關系近平衡態(tài)系統：系統內部各要素表現出線性相互作用關系遠離平衡態(tài)系統：系統內部各要素表現出非線性的相互作用關系，是新的有序結構產生的必要條件。2從系統與環(huán)境的關系來劃分孤立系統——系統與外界環(huán)境沒有物質、能量的交換（如熵增加原理——就是揭示了孤立系統的規(guī)律）封閉系統——系統與環(huán)境沒有物質交換只有能量交換的系統開放系統——系統與環(huán)境既有能量交換，也有物質交換3從系統內部實際發(fā)生的過程來劃分物理系統：物理學所研究的系統。如熱機系統、電機系統化學系統：化學研究的系統如分子系統生命系統：生物學所研究的系統如：各種動物、植物系統社會系統：社會科學研究的系統如：經濟系統、生產系統、商業(yè)系統、交通系統、屬于社會科學研究的范圍4從系統內部各要素相互作用特點來劃分線性系統：系統內部各要素的關系是線性的。非線性系統：系統內各要素的關系是非線性的5從人和自然物的相互作用角度來劃分天然系統：人未參入的自然系統如：類星體，墨洞、河外星子所構成的系統人工系統：人工制造的多種系統如：發(fā)電機、電動機、拖拉機、汽車、輪船、飛機、火箭主要表現為主體屬性，是人的本質力量外化的產物。復合系統：人部分參入的系統如：農田系統：農田、水利、改良的新品種主客體屬性都得到顯示，相近或相當6從人對自然界的認識程度來劃分黑系統：人對系統結構一無所知；灰系統：人對系統結構部分認識；白系統：人的系統結構全部認識。7從系統規(guī)模來劃分微觀系統：分子系統以下的系統；宏觀系統：地球及其上的系統；宇觀系統：銀河系以外的系統；渺觀系統脹觀系統三、整體與部分：系統的基本矛盾1整體和部分的含義整體：是指構成系統的諸要素和關系的全部總和。進一步講，它是系統的組成、結構、性質、功能以及多樣性聯系的辯證統一體。部分：是指整體中的各個要素和各種關系。它既可以是整體中的某一要素、某一關系也可以是某些要素的組合、關系的組合2整體和部分的關系概括地講，二者是辨證統一的關系展開來看，二者的關系是：（1）就其組成而言二者的關系是：a、整體以部分為基礎沒有有部分就形不成整體；b、部分以整體為前提沒有整體，部分也就不是整體的部分，部分就失去了意義。（2）就其功能而言其關系表現在以下三種情況：a、整體大于部分之和這是從質上來講的，它是指整體的各個部分有機組合、互相協調，就在功能上產生了大于部分功能之和的新質?！叭齻€臭皮匠，也等于一個諸葛亮”b、整體小于部分之和這也是從質上而言的，是指整體中多部分互相牽制，使部分的功能不能很好地發(fā)揮，在整體功能上產生了小于部分功能之和的新質。“一個和尚挑水吃，兩個和尚抬水吃，三個和尚沒水吃”c、整體等于部分之和這是從量的角度而言的，是指由部分機械組合的整體，整體功能就等于各個部分的功能之和。一堆蘋果，一堆石頭等。第三節(jié)自然界的層次結構

——自然界的層次觀或層次自然觀

內容：一、層次結構及其特點二、自然界的基本層次三、層次結構的結合度遞減律四、層次結構因果鏈一、層次結構及其特點1層次結構的定義：層次結構是指由若干要素經相干性關系構成的系統（即低層系統），再通過新的相干性系統而構成新系統（即高層系統）的逐級構成的結構關系。簡言之，層次結構是由低層系統再構成高層系統的逐級構成關系。低層系統：是由若干要素經過相干性關系構成的系統。高層系統：是由若干低層系統為要素經過相干性關系構成的新系統。因此，層次結構就是指低層系統、高層系統、更高層系統的逐級構成關系。如：這種逐級構成關系就是層次結構質子和中子經過相干性關系構成原子核（低層系統）原子核和電子經過相干性關系構成原子（高層系統）原子之間經過相干性關系構成分子（更高層系統）分子通過相干性關系構成分子體系（更高層次系統）分子體系通過相干性關系過程物質凝聚態(tài)，等等2層次結構的特點（1）低層系統對高層系統具有構成性關系這反映了物質系統間的縱向關系（不同層次的系統之間的關系）從以下四個方面來理解：A低層系統是高層系統的構成部分，是高層系統的基礎離開了低層系統，高層系統就不復存在了B高層系統是由低層系統構成的，是低層系統的保障離開了高層系統，低層系統也就失去了原來的意義。C層次結構中的這種構成性關系，在縱向上將系統區(qū)分為多級結構、多級功能和多級環(huán)境這要求研究系統時，要多層次地分析、綜合。既要研究其所處的高層系統，也要分析其底層系統D同一結構內的分層排布現象，不存在層次結構，不存在構成性關系，因而不屬于層次結構范疇如原子核外電子的分層分布，K、L、M、N層，同一層的S、P、D、F亞層，同一亞層中的不同軌道的排列。這只反映了原子空間結構上的特點，而多層之間不存在構成關系，因此不是層次結構，它不具備構成性關系。（2）同一層次的系統之間具有相干性關系這反映了系統之間的橫向關系（同一層次的系統之間的關系）在理解這一關系時，應注意：A各個低層系統只有通過相干關系，通過非加和性關系，才能構成高層系統。如原子核和電子只有通過相干性過程，才能構成原子原子核和電子的簡單相加并不是原子。B正是通過這種橫向的相干性關系，才導致了層次結構的質的差別，導致了高層系統的新質的產生。原子核和電子，通過相干性關系，構成具有新質的原子。原子和原子，通過相干性關系，構成具有新質的分子，等等因此，相干性過程是構成性關系的基礎。C低層系統間的相干性關系比高層系統之間的相干性關系并不一定簡單，甚至更復雜。如：原子核和電子的相干性關系比原子之間相干性關系更復雜。二、自然界的基本層次非生命世界的層次結構（兩觀系統）：夸克基本粒子原子核原子分子分子體系凝聚態(tài)物質衛(wèi)星、小行星?自然界的層次結構微觀世界宏觀世界……強子如質子、中子夸克有結構嗎？非生命世界（三觀系統）分子原子…夸克恒星星系星系團總星系非生命世界微觀世界宏觀世界宇觀世界已知最大范圍“宇宙”自然界的層次結構已知最小實物粒子已知的生命界的最低層次已知的生命界的最高層次生命世界蛋白質核酸分子體系細胞組織器官系統生物個體種群群落生態(tài)系統生物圈自然界的層次結構？能否從原子及其以下的層次來研究生命？自然界的層次結構非生命世界生命世界領域層次空間尺度cm理論描述領域層次理論描述渺觀？<10-34

？超弦理論？分子型氨基酸蛋白質，核酸生物超分子復合物分子生物學微觀夸克基本粒子原子分子10-13<…<10-6量子力學量子場論統計力學……表觀型細胞器細胞核、質、膜細胞細胞學宏觀地上物體行星恒星10-5<…<1014牛頓力學經典物理學……組織器官系統個體生理學宇觀星團星系星系團超星系團總星系1014<…<1028星系動力學廣義相對論宇宙電動力學種群類群群落生物學生態(tài)型小生態(tài)系統大生態(tài)系統生物圈生態(tài)學脹觀？>1024光年？？三、層次結構的結合度遞減律

1、層次結構結合度的定義在層次結構中，各層系統內部諸要素相結合的緊密程度。緊密程度高，則結合度大；反之，結合度小。

2、層次結構結合度遞減律的內容在自然界物質系統的層次結構中，隨著層次由低到高推進，各層的結合度出現了由大到小的遞減趨勢。簡言之，層次結構的結合能與層次尺度成反比如下表所示：尺度越大，層次結構越高，而結合能越小反之，尺度越小，層次結構越低，而結合能越大層次L（cm）E（eV）E/m單細胞10610-1210-11分子10-5－10-710-2－10-110-9原子10-7－10-8100－1013*10-5原子核10-12－10-13105－1062*10-3基本粒子10-13－10-16108－1091E/m：結合能與被結合物質質量之比eV：電子伏特（能量單位）3、層次結構結合度遞減律的意義有四：（1）結合度遞減律是維持層次結構相干性關系和構成性關系的原因換句話來說，結合度如果不隨層次增高而遞減，那么高層系統在形成時，必然破壞低層系統。低層系統破壞了，高層系統便不能形成。（2）結合度遞減律是高層系統在解體時，低層系統仍具有穩(wěn)定性的原因如：用化學方法，使分子（高層系統）解體時，原子（低層系統）仍然是穩(wěn)定的。H2O→2H+O分子解體后，H、O仍然穩(wěn)定用物理學方法，使原子（高層系統）解體時，而原子核仍是穩(wěn)定的生命體（高層系統）解體時，構成生命的分子（低層系統）仍具有穩(wěn)定性。否則，系統在解體時，不是首先破壞高層系統，而是首先破壞低層系統——這顯然不符合事實。（3）結合度遞減規(guī)律，能夠使自然界的物體在穩(wěn)定的低層結構系統基礎上建立新的高層結構系統成為可能生命的進化過程