第二章 系統(tǒng)自然觀

第二章系統(tǒng)自然觀第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四1、從物質(zhì)分類看物質(zhì)形態(tài)的多樣性自然界非生命界宇觀——星系宏觀——團聚體微觀——元素渺觀——基本粒子生命界微生物——20多萬種植物——30多萬種動物——150多萬種第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四2、從物質(zhì)聚集態(tài)看物質(zhì)形態(tài)的多樣性自然界的多態(tài)固態(tài)——內(nèi)部有較強的內(nèi)聚力，有一定體積和形態(tài)。液態(tài)——內(nèi)部有較強的內(nèi)聚力，有一定體積，但無一定形態(tài)。氣態(tài)——沒有一定體積，亦無一定形態(tài)。等離子態(tài)——氣體的原子外層電子脫離原子（氣溫在幾千度時），于是中性的原子變成了帶陽電的離子。宇宙中有99.9%以上的物質(zhì)處于等離子態(tài)。超密態(tài)——當(dāng)物質(zhì)在超高壓（幾百萬個大氣壓）物質(zhì)密度極大，千噸或億噸/CM3真空態(tài)——物質(zhì)形態(tài)的一種，是負(fù)能態(tài)的粒子海。反物質(zhì)態(tài)——由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四二、自然界物質(zhì)的統(tǒng)一性第一，宇宙中的物質(zhì)在化學(xué)元素上是統(tǒng)一的。第二，宇宙萬物在基本粒子層次上是統(tǒng)一的。第三，實物和場兩種基本物質(zhì)形態(tài)是統(tǒng)一的。第四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)自然界物質(zhì)的系統(tǒng)性一、系統(tǒng)的概念和特點1、系統(tǒng)的概念我國著名系統(tǒng)工程科學(xué)家錢學(xué)森認(rèn)為：所謂系統(tǒng)是由相互影響、相互作用、相互制約的各個部分組成的具有一定功能的整體。2、系統(tǒng)的特點一是多元性二是關(guān)聯(lián)性三是整體性注意的四個因素①系統(tǒng)要素構(gòu)成的基元性②系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性③系統(tǒng)的環(huán)境性④系統(tǒng)的行為和功能第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四二、系統(tǒng)理論相關(guān)觀點（一）物質(zhì)系統(tǒng)的整體與部分的關(guān)系一是加和性關(guān)系：整體與部分之間存在某種加和關(guān)系或守恒關(guān)系。如果可以量度的話，整體等于部分之和。二是非加和關(guān)系：由于處于系統(tǒng)整體中的各組成部分之間存在相互作用，一方面使處于系統(tǒng)聯(lián)系中的組成部分的性質(zhì)不同于自然狀態(tài)不的性質(zhì)，使組成的部分原有的某些性質(zhì)被屏蔽起來；另一方面使得系統(tǒng)整體產(chǎn)生出它的組分和組分總和所沒有的、甚至對了組成部分來說是毫無意義的新性質(zhì)?？傊?，由部分構(gòu)成系統(tǒng)整體時，有新質(zhì)突現(xiàn)，整體不等于部分之和。第六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

系統(tǒng)整體性效應(yīng)是系統(tǒng)的組成部分之間相互作用、相互激發(fā)而產(chǎn)生的整體性效應(yīng)。

蘇東坡詩云：“若言琴上有琴聲，放在匣中何不嗚？若言聲在指頭止，何不于君指上聽？”系統(tǒng)整體性效應(yīng)可表示為這樣三種情形：①整體大于部分之和W＞∑Pi②整體小于部分之和W＜∑Pi③整體等于部分之和W＝∑Pi第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

十八世紀(jì)末，法國遠(yuǎn)征軍在拿破侖（NapoleonBonaparte）的率領(lǐng)下入侵處于馬木留克軍事封建集團的統(tǒng)治之下埃及。7月，在尼羅河西大金字塔群附近的開闊地上，法軍和馬木留克騎兵展開了歷史上著名的金字塔戰(zhàn)役。馬木留克騎兵損失慘重，法軍大獲全勝。戰(zhàn)后，拿破侖把這兩只軍隊進行對比，留下著名的論斷：“兩個馬木留克騎兵絕對能打贏三個法國騎兵，一百個法國騎兵能抗衡一百個馬木留克騎兵，三百個法國騎兵大都能戰(zhàn)勝三百個馬木留克騎兵，一千個法國騎兵總能打敗一千五百個馬木留克騎兵?！庇纱丝梢姡R木留克騎兵給一代名將拿破侖留下的印象是非常深刻的。第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

馬木留克（Mamluk，又名馬木留克、馬木路克），就是中世紀(jì)埃及各族奴隸出身的軍人。阿尤布王朝組建了一支由奴隸構(gòu)成的馬木路克近衛(wèi)軍。馬木路克騎兵驍勇善戰(zhàn)，1250年與第七次東征的十字軍爭奪開羅，取得了一次非常輝煌的勝利。隨著中央集權(quán)的削弱，他們逐漸成為強大的軍事統(tǒng)治集團，阿尤布王朝解體后他們奪取了開羅的政權(quán)，建立了通稱為馬木路克的的蘇丹國。馬木留克王朝的歷代蘇丹多數(shù)是軍人通過軍事政變奪取政權(quán)，對戰(zhàn)爭有著近乎本能的迷戀，國家不斷陷入戰(zhàn)爭之中，通過與十字軍、蒙古人、土耳其人進行的一系列戰(zhàn)爭，馬木路克很快強大起來，版圖一度擴張到整個阿拉伯東方。馬木留克王朝統(tǒng)治埃及達三百年之久（1250年—1517年）最終于1517年在與奧斯曼土耳其帝國的戰(zhàn)爭中失敗，從此滅亡。

第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四(二)物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、環(huán)境、功能是完整規(guī)定和描述系統(tǒng)的四個基本因素。現(xiàn)在的問題是系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、環(huán)境三因素中誰對系統(tǒng)的功能具有決定性的意義？答案是系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于決定系統(tǒng)功能，具有更為直接的意義！是決定系統(tǒng)功能的內(nèi)在依據(jù)！第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四三、系統(tǒng)自然觀的基本思想

及重大意義參見P47-511、有人說，“下崗是國企改革的必由之路”，“跳糟是市場經(jīng)濟的必然產(chǎn)物”，此命題是否真？試用系統(tǒng)理論的相關(guān)觀點分析之。思考題：2、你怎樣看系統(tǒng)整體的非加和性？第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)自然界物質(zhì)系統(tǒng)的層次性一、層次結(jié)構(gòu)的含義及基本特征自然系統(tǒng)的層次性主要是自然界物質(zhì)系統(tǒng)的縱向聯(lián)系，是物質(zhì)系統(tǒng)之間縱向的或垂直的有序關(guān)系。還包括兩個方面：

一是系統(tǒng)在某一等級上又可以分為多側(cè)面的層次，即同一級的復(fù)雜系統(tǒng)，可從橫向上分為若干互相聯(lián)系、互相制約又各自相互獨立的平行層次；

二是一個高度復(fù)雜的自然系統(tǒng)以縱向?qū)哟魏蜋M向?qū)哟螢榛A(chǔ)，還可以構(gòu)成縱橫交錯的立體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成交叉層次。第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

依據(jù)物質(zhì)之間相互作用的性質(zhì)和描述這種作用的不同來劃分。20世紀(jì)60年代初，日本物理學(xué)家坂田昌一就提出按物質(zhì)系統(tǒng)所具有的不同規(guī)律劃分物質(zhì)層次的思想。將物質(zhì)層次分為：非生命界：超玄→夸克→基本粒子→原子核→原子→分子→物體→天體→星云，生命界：生物大分子→膠體粒子→細(xì)胞→器官→組織→個體→種群→群落→生物圈層次。第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四二、物質(zhì)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的相關(guān)觀點

1、特定物質(zhì)層次結(jié)構(gòu)與特定能量狀態(tài)相適應(yīng)的觀點任何一個特定物質(zhì)結(jié)構(gòu)能量只能存在于一定的閾值之內(nèi)，當(dāng)能量超過一定閾值時，就會發(fā)生從一個層次突變到另一個層次?；蛞欢ǖ奈镔|(zhì)層次與一是能量閾值相適應(yīng)。了解這一觀點有著重要意義。目前有人宣稱，在生物體這個物質(zhì)層次上會有一種新相互作用，可以產(chǎn)生巨大能量，是不正確的。

第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四2、特定物質(zhì)層次系統(tǒng)的尺度與結(jié)合能成反比的觀點

對于一個具有多層次結(jié)構(gòu)的物質(zhì)系統(tǒng)供給能量，隨著能量的增加物質(zhì)系統(tǒng)的層次一層層地消失，同時物質(zhì)系統(tǒng)的尺度變小，即物質(zhì)系統(tǒng)變得越來越小。這就是說尺度愈小，結(jié)合能就愈大，結(jié)合的鍵力愈強。

第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四一定物質(zhì)層次的存在適應(yīng)于一定的能量狀態(tài)。物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)合能越大，就越穩(wěn)定。當(dāng)外加能量在數(shù)值上大于這個結(jié)合能時，系統(tǒng)就解體，而顯露其內(nèi)部的組成部分，即更深一個層次的物質(zhì)單元。在繼續(xù)加能的過程中，物質(zhì)系統(tǒng)就被一層層地剝開。相反地，在不斷減能的過程中，物質(zhì)外殼則一層層地套上去，而且后套上去的層次把先前的層次包含在內(nèi)，作為自己的結(jié)構(gòu)成分和從屬要素。這種物質(zhì)系統(tǒng)分解和復(fù)合中的能態(tài)突變，更深刻地反映了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次性。

第十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四在人類發(fā)明蒸汽機以前，人們所利用的風(fēng)力、畜力、水力等基本主是宏觀物體這個層次的能量。人們發(fā)明推廣了蒸汽機后，標(biāo)志著人們掌握著分子這個層次能量；電機和高壓輸電技術(shù)的發(fā)明使人類掌握了外層電子這個層次的能量；可控核反應(yīng)的發(fā)明使人類掌握了原子核這個層次的能量。于是人類就有了工場手工業(yè)時代、蒸汽機時代、電氣電子時代、核時代。第十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四3、物質(zhì)形態(tài)多樣性與豐度成反比觀點

就是說，物質(zhì)層次愈高，結(jié)構(gòu)功能愈多樣化，而這一層次物質(zhì)系統(tǒng)在宇宙中豐度愈少。比如，原子這一層次系統(tǒng)的種類只有107種，可分子這一層次系統(tǒng)的種類多達700多萬種，而有機體種類曾在地球上存在的就有10億種之多。第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四4、高層次物質(zhì)系統(tǒng)與低層次物質(zhì)系統(tǒng)相互關(guān)系的觀點(1)低層對高層上向因果關(guān)系由于高層次系統(tǒng)由低層次系統(tǒng)經(jīng)相干作用而產(chǎn)生，以低層次系統(tǒng)為其基礎(chǔ)和載體，故低層次系統(tǒng)協(xié)同對高層次系統(tǒng)起到根源作用、原因作用、影響作用，這叫物質(zhì)層次結(jié)構(gòu)上向因果關(guān)系。于是科學(xué)解釋中就有了還原解釋模型。即用低層次系統(tǒng)的規(guī)律，加上這些規(guī)律在高層次系統(tǒng)中起作用的條件來解釋說明高層次系統(tǒng)現(xiàn)象的邏輯模型。第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四(2)高層次系統(tǒng)的相對獨立性

高層次系統(tǒng)一旦產(chǎn)生后，就會形成新的實體，引起新的屬性，有新質(zhì)的突現(xiàn)。（3）高層次系統(tǒng)對低層次系統(tǒng)的下向因果關(guān)系高層次系統(tǒng)對低層次系統(tǒng)的支配和限制作用，被稱之為下向因果關(guān)系。第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四現(xiàn)場討論題：

就“物質(zhì)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的相關(guān)觀點”給合你所想到的實例談淡你的體會。第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四第四節(jié)自然系統(tǒng)的演化發(fā)展

18世紀(jì)中葉以來，隨著近代自然科學(xué)的發(fā)展，關(guān)于自然界歷史演化的觀點開始形成。自然界的歷史性被科學(xué)發(fā)現(xiàn)逐步揭示出來，成為自然界歷史觀產(chǎn)生的科學(xué)前提。

最早把歷史觀引入對自然界研究的是康德。1755年康德出版了《宇宙發(fā)展史概論》，提出了關(guān)于太陽系起源的星云假說，這是天文學(xué)史上第一個比較完整的天體演化學(xué)說。第二十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四繼康德之后，賴爾把歷史演化的觀點帶進了地質(zhì)學(xué)，提出了地質(zhì)漸變論。這個學(xué)說使人確信，“不僅整個地球，而且地球今天地表面以及生活于其上的植物和動物，也都有時間上的歷史?！?/p>

1859年達爾文出版了《物種的起源》，從科學(xué)的角度提出了生物進化論，揭示了整個生物界的歷史性。恩格斯在《自然辯證法》等著作中系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)時自然科學(xué)的新成就，從不同角度分析了這些成就對自然界歷史觀確立的重大意義。第二十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四一、自然界演化的圖景自然界的演化主要是由宇宙的起源、地球的起源、生命的起源和人類的起源構(gòu)成的。合稱為“四大起源”。1、宇宙的起源和演化

按照現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的大爆炸宇宙論和暴脹宇宙論，宇宙起源于大約150億年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸之初，是一個高溫、高密度的“奇點”。2、地球的起源和演化3、生命的起源和進化第二十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四觀看科教片《宇宙與人》第二十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四視頻資料:億年的演化點擊圖片－啟動視頻第二十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四二、自然界演化的方向性1、序、無序、有序、混沌和負(fù)熵流

“序”是描述客觀事物或系統(tǒng)內(nèi)部組成元素之間相互關(guān)系的范疇

“無序”是指客觀事物或系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間聯(lián)系、組合或運動的無規(guī)則性和不確定性。

“有序”指的是客觀事物或系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間聯(lián)系、組合或運動，在空間、時間、結(jié)構(gòu)功能等方面顯示出一定的順序、規(guī)則，具有某種確定性、方向性和規(guī)律性。第二十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四

系統(tǒng)的對稱性破缺狀態(tài)對應(yīng)著有序，自然系統(tǒng)的有序化是對稱性破缺的結(jié)果，正是由于對稱性破缺才使系統(tǒng)向有序化、組織化、和復(fù)雜化演化。

“混沌”是系統(tǒng)演化的一個方向；混沌并不等于混亂，也不是無序，是確定系統(tǒng)內(nèi)在隨機性，是看起來雜亂無章的有序狀態(tài)，或說是裝扮成無序的有序。是無序與有序的統(tǒng)一。

“熵”是系統(tǒng)科學(xué)的序的標(biāo)度，熵是無規(guī)律程度的測量，因此負(fù)熵流或信息量是系統(tǒng)有序性或組織性的測度。第二十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四2、進化與退化的對立統(tǒng)一進化和退化是自然界中廣泛存在的兩種趨勢和過程。進化與退化之間具有統(tǒng)一性。這種統(tǒng)一性主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）進化與退化互相包含。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。生物進化具有不可逆性，滅絕的物種不可能重新出現(xiàn)，但是生物進化之中也有退化，一些結(jié)構(gòu)和功能的進化，同時也就意味著另一些結(jié)構(gòu)和功能的退化；返祖現(xiàn)象的出現(xiàn)，也是生物進化之中的退化。第二十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四（2）進化與退化同生共存。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。理由在于，一個系統(tǒng)有序程度的提高，需在以負(fù)熵流的引入為代價，這相當(dāng)于系統(tǒng)把熵增轉(zhuǎn)移到了環(huán)境之中?；蛘哒f系統(tǒng)的進化是以環(huán)境中某些方面的退化為代價的。（3）進化與退化相互轉(zhuǎn)化。進化過程在一定條件下會轉(zhuǎn)入退化，而退化過程在一定條件下也可以轉(zhuǎn)入進化。第三十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四三、自然界演化的自組織機制1、自組織自組織是指沒有外界的特定干預(yù)，在開放的背景下，外部提供一定的條件下，系統(tǒng)的要素按彼此的相干性、協(xié)同性或某種默契，自發(fā)地形成一定結(jié)構(gòu)和功能的過程和現(xiàn)象。自組織一般包含著三類過程：由非組織到組織的過程演化；由組織程度低到組織程度高的過程演化；在相同組織層次上由簡單到復(fù)雜的過程演化。第三十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四2、自組織理論：

系統(tǒng)進化的機制和條件

自組織理論是一個學(xué)科群，其中最具代表性的有耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、超循環(huán)理論、突變論。各種自組織理論盡管背景和對象有很大的差別，但都試圖解決一個普遍性的問題，即從無序走向有序的條件和機制問題，并取得了不同程度的成功。這些理論從不同側(cè)面揭示了在遠(yuǎn)離平衡條件下的開放系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)的可能性。第三十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四（1）開放是系統(tǒng)進化的先決條件

普利高津指出，一個系統(tǒng)的熵變（dS）是由兩方面的因素引起的，一個因素是系統(tǒng)與環(huán)境相互作用中交換的熵（dSe），稱外熵流，另一個因素是系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)產(chǎn)生的熵（dSi），稱熵變。系統(tǒng)總熵為：

dS=dSe+dSi

對于孤立系統(tǒng)，由于系統(tǒng)和環(huán)境之間沒有物質(zhì)和能量的交換，也就不可能產(chǎn)生熵的交換，（dSe）＝0，所以，dS=dSi＞0，這就是克勞修斯提出的熱力學(xué)第二定律。第三十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四＞0

＝0

＜0dse這里：dsi＞0對于開放系統(tǒng)，由于系統(tǒng)和環(huán)境之間存在物質(zhì)和能量的交換，這就會同時產(chǎn)生熵的交換，使得dSe≠0,系統(tǒng)的總熵變就會出現(xiàn)以下四種情況：當(dāng)dSe＞0時，dS＞0，系統(tǒng)加速走向無序化當(dāng)dSe＜0，且｜dSe｜＜dSi，則dS＞0，系統(tǒng)仍沿著熵增方向走向無序化。當(dāng)dSe＜0，且｜dSe｜＝dSi，則dS＝0，系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)不變。當(dāng)dSe＜0，且｜dSe｜＞dSi，則dS＜0，系統(tǒng)將沿著熵減方向走向有序化。第三十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四（2）非平衡是有序之源在近乎平衡態(tài)的情況下，即使系統(tǒng)開放，它也會返回平衡態(tài)的?！胺瞧胶馐怯行蛑础?，只有非平衡態(tài)才能導(dǎo)致有序，形成穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)。怎樣實現(xiàn)系統(tǒng)的非平衡態(tài)呢？通過來自外部環(huán)境的物質(zhì)流、能量流以及伴隨而來的信息流的輸入，將系統(tǒng)驅(qū)使到遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)。因此，開放系統(tǒng)就是借助于外部環(huán)境輸入的負(fù)熵以克服、抵消系統(tǒng)內(nèi)部的增熵。是自然系統(tǒng)自組織得以形成的首要條件第三十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四（3）非線性機制是系統(tǒng)進化的內(nèi)在根據(jù)非線性相互作用是自然演化的內(nèi)在機制，是具有相干性的耦合，這種耦合使各要素間產(chǎn)生相干效應(yīng)與協(xié)調(diào)動作，從而導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)要素獨立性的喪失和新質(zhì)的出現(xiàn)。那么，系統(tǒng)在怎樣的情況下才能實現(xiàn)非線性相互作用呢？這就要取決于系統(tǒng)是否遠(yuǎn)離平衡態(tài)。在平衡態(tài)和近平衡態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用是一種線性相互作用，而在遠(yuǎn)離平衡態(tài)時，系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N非線性的機制，在這種相互作用下，系統(tǒng)表現(xiàn)出對各種擾動的高度敏感性，一個輕微的擾動都可能被系統(tǒng)響應(yīng)、放大而波及整個系統(tǒng)，從而迫使系統(tǒng)向著某個新的結(jié)構(gòu)演化。系統(tǒng)的非線性作用產(chǎn)生的相干效應(yīng)、分岔效應(yīng)、臨界效應(yīng)是系統(tǒng)存在和進化的重要前提和基本機制。第三十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期四（4）正反饋放大作用機制自然系統(tǒng)進入自組織，必須存在一個反饋通道，它可以通過正反饋的方式放大系統(tǒng)的某種波動或起伏，從而產(chǎn)生新質(zhì)，加速系統(tǒng)的自組織。

比如在城市發(fā)展歷史上，如果由于某種原因而使某個地方經(jīng)濟發(fā)展水平稍高一些，那么它將提供更多的就業(yè)機會，從而吸引更多的人口到這里集中，而人口集中又對消費品提出更多的要求，這又促使