第二講自然科學(xué)視

第二講自然科學(xué)視第一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一案例思考在古代有一個國王，他要求全國的畫師給他畫一張優(yōu)美的畫像，如果畫不出，就一天殺死一個畫師。這樣一來，每一個畫師人人自危，為什么？其原因在于國王的一只眼睛、一只胳膊、一條腿都有殘疾，怎么畫？你能有一個好的方法嗎？第二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一一、自然界的系統(tǒng)性（一）系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)含義：系統(tǒng)是“處于一定的相互關(guān)系中并與環(huán)境發(fā)生關(guān)系的各組成部分的總體”。特點(diǎn)：

1)任何系統(tǒng)都有要素（性能、數(shù)量、種類、關(guān)系）。

2）各種要素通過相互關(guān)系結(jié)合成一定結(jié)構(gòu)。

3）具有結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)處在一定的環(huán)境中。

4）任何系統(tǒng)都具有功能。

第三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一小螺絲毀掉大公司2010年7月2日，摩爾多瓦共和國“汽車大王”格爾德·波恩宣布：旗下的克萊斯勒汽車公司破產(chǎn)！1994年，從事汽車制造業(yè)30多年的格爾德購買了美國克萊斯勒汽車的制造技術(shù)，談判時，精明的格爾德對克萊斯勒汽車進(jìn)行了拆解，最終認(rèn)為其中的一顆通用型螺絲完全不需要美國技術(shù)支持，在自己國內(nèi)生產(chǎn)不成問題，這樣可以省下一筆轉(zhuǎn)讓費(fèi)。雖然投產(chǎn)后開始市場反應(yīng)不錯，但很快他生產(chǎn)的汽車故障率極高，因?yàn)橐活w螺絲松動而引起的方向盤掉落、輪胎飛離等故障和車禍就占了問題汽車的80%?？巳R斯勒能成為汽車三大巨頭之一，與每一顆螺絲的精湛技術(shù)和檢測標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)，如一顆M6螺桿，外徑在5.974—5.978毫米之間，同時對內(nèi)徑、牙距、材質(zhì)、表面處理等指標(biāo)都有非常明確和嚴(yán)格的規(guī)定；可是摩爾多瓦雖然生產(chǎn)螺絲的工廠眾多，但沒有哪個型號不含次品，所有人都認(rèn)為只要螺絲能擰上去就行了，對于那些“相差不能超過0.004毫米”的規(guī)定，或者聞所未聞，或者不屑一顧。最后，當(dāng)一筆筆賠償單擺在格爾德面前時，他無力回天，宣布破產(chǎn)。第四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一水旱從人，不知饑饉，時無荒年，謂之天府第五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一（二）整體和部分的關(guān)系加和性，即1+1=2。非加和性，即1+1>2。整體和部分相互約束。整體中部分不等于孤立狀態(tài)下的部分。不同整體中的同一部分有不同特性或功能。第六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一二、自然界演化的不可逆性“我們正越來越多地覺察到這樣的事實(shí),即在所有的層次上,從基本粒子到宇宙學(xué),隨機(jī)性和不可逆性起著越來越大的作用?！薄稄幕煦绲接行颉稰26“我們發(fā)現(xiàn)我們自己處在一個可逆性和決定性只適用十分有限的簡單情況,而不可逆性和隨機(jī)性卻占據(jù)統(tǒng)治地位的世界之中?！薄稄幕煦绲接行颉稰40普里高津第七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一二、自然界演化的不可逆性（一）三種時間觀：牛頓不變時間觀熱力學(xué)退化時間觀達(dá)爾文進(jìn)化時間觀（二）兩種沖突：可逆與不可逆沖突進(jìn)化與退化沖突（三）耗散結(jié)構(gòu)理論解決了進(jìn)化與退化的矛盾第八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一二、自然界演化的不可逆性1.開放系統(tǒng)：與環(huán)境交換物質(zhì)、能量、信息的系統(tǒng)。系統(tǒng)熵變公式：ds=dis+des,其中，ds表示系統(tǒng)的總熵；dis表示系統(tǒng)內(nèi)部所產(chǎn)生的熵，叫做熵產(chǎn)生，根據(jù)熱力學(xué)第二定律dis>0；des表示系統(tǒng)與環(huán)境交換的熵，叫做熵流，可正可負(fù)。第九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一系統(tǒng)狀態(tài)分析圖表第一種情況孤立系統(tǒng)當(dāng)des=0時，ds=dis>0無序第二種情況開放系統(tǒng)當(dāng)des>0時,ds=dis+des>0

無序第三種情況開放系統(tǒng)當(dāng)des<0時且|des|<dis時，ds=dis+des>0無序第四種情況開放系統(tǒng)當(dāng)des<0時,且|des|＝dis時，ds＝0宏觀結(jié)構(gòu)不變第五種情況開放系統(tǒng)當(dāng)des<0時,且|des|>dis時，ds=dis+des<0有序第十頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一二、自然界演化的不可逆性2.遠(yuǎn)離平衡態(tài)：平衡態(tài)處處均勻，無序；近平衡態(tài)有一定的差異，最終會趨向無序；趨使系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)依靠開放及內(nèi)在因素。非平衡是有序之源非平衡需要對系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)約束第十一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一二、自然界演化的不可逆性3.正反饋：起著放大系統(tǒng)內(nèi)部差異的作用4.非線性作用恩格斯：“相互作用是事物的真正的終極原因”相互作用有線性和非線性之分，應(yīng)該說非線性是事物存在和發(fā)展的終極原因普里高津：“對于耗散結(jié)構(gòu)所必須的另一個基本特征是在系統(tǒng)的各個元素中存在著一種非線性機(jī)制?！狈蔷€性三個特點(diǎn)：相干性、非加和性、多重選擇性線性特點(diǎn)：獨(dú)立性、疊加性、單一性第十二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一歧路亡羊楊子之鄰人亡羊,既率其黨;又請楊子之豎追之.楊子曰:"嘻!亡一羊,何追者之眾"鄰人曰:"多歧路."既反,問:"獲羊乎"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·說符》第十三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一二、自然界演化的不可逆性5.巨漲落孤立系統(tǒng)和開放系統(tǒng)中的漲落其表現(xiàn)不同：孤立系統(tǒng)—忽略不計(jì)，開放系統(tǒng)—巨漲落。分叉點(diǎn)上系統(tǒng)有序結(jié)構(gòu)的重新形成取決于在外部環(huán)境影響下系統(tǒng)內(nèi)部快速增長的巨漲落。漲落導(dǎo)致有序（普利高津）

意義：不可逆性在自然界系統(tǒng)的演化中具有建設(shè)性作用

第十四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一倫敦上空的云街第十五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一牛津上空的云街第十六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一第十七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一三、自然界的復(fù)雜性特征（一）整體性和還原性的統(tǒng)一（二）有序和無序的統(tǒng)一（三）確定性和不確定性的統(tǒng)一（四）可逆性和不可逆性的統(tǒng)一（五）競爭性和協(xié)同性的統(tǒng)一（六）簡單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一第十八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一三個“妖精”案例從縱向揭示了

自然界怎樣的圖景？

拉普拉斯妖：1814年，拉普拉斯（Laplace）在其《概率的哲學(xué)短論》中作了如下表述：“我們應(yīng)當(dāng)把宇宙的現(xiàn)在狀態(tài)看作是它先前狀態(tài)的效果，隨后狀態(tài)的原因。暫時設(shè)想有一位神靈，它能夠知道某一瞬間施加于自然界的所有作用力以及自然界所有組成物各自的位置，并且它能夠十分廣泛地分析這些數(shù)據(jù)，那么，它就可以把宇宙中最重物體的運(yùn)動和最輕的原子運(yùn)動，均納入同一公式之中。對于它，再沒有什么事物是不確定的，未來和過去一樣，均呈現(xiàn)在它的眼前?！边@種能夠預(yù)知事物某一時刻確定狀況的“神靈”被稱為“拉普拉斯妖”。第十九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一麥克斯韋妖麥克斯韋妖：1871年，，麥克斯韋(Maxwell)在它的《熱的理論》一書中假象有這樣一個神通廣大的“妖精”，它能跟蹤充滿容器的每個氣體分子的運(yùn)動。把這個容器用一道隔板分為A、B兩部分，并在隔板上安裝一個閥門，當(dāng)閥門打開時單個氣體分子可以從容器的一部分經(jīng)過閥門進(jìn)入另一部分去。假設(shè)這個容器起先完全充滿了一定溫度的氣體，按照熱的動力論，一定的溫度對應(yīng)于一定的平均速度。因?yàn)闅怏w分子運(yùn)動具有隨機(jī)性質(zhì)，有的分子的速度大于平均值，有的則小于平均值。那么，通過在適當(dāng)時刻打開隔板上的閥門，妖精就能讓快的分子從A進(jìn)入B，慢的分子從B進(jìn)入A，結(jié)果不須消耗能量，B部分的溫度就上升，A部分的溫度就下降。整個容器或者系統(tǒng)正是在這個“妖精”的作用下從原來的混合均勻無序狀態(tài)實(shí)現(xiàn)向非均勻、非對稱的有序狀態(tài)轉(zhuǎn)化。第二十頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期一克勞修斯妖克勞修斯妖（熵妖）：1850年，德國物理學(xué)家魯?shù)婪颉た藙谛匏?Clausius)提出了熱力學(xué)第二定律：“熱量總是從高溫物體傳到低溫物體，不能作相反的傳遞且不帶有其他的變化”1865年，克勞修斯又提出了“熵”的