第二講自然科學(xué)視

第二講自然科學(xué)視界中的

自然界圖景自然界的系統(tǒng)性自然界的不可逆性自然界的復(fù)雜性特征1案例思考在古代有一個(gè)國(guó)王，他要求全國(guó)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(gè)畫師。這樣一來(lái)，每一個(gè)畫師人人自危，為什么？其原因在于國(guó)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(gè)好的方法嗎？2一、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(guò)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。

3小螺絲毀掉大公司2010年7月2日，摩爾多瓦共和國(guó)“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(gòu)買了美國(guó)克萊斯勒汽車的制造技術(shù)，談判時(shí)，精明的格爾德對(duì)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(guó)技術(shù)支持，在自己國(guó)內(nèi)生產(chǎn)不成問(wèn)題，這樣可以省下一筆轉(zhuǎn)讓費(fèi)。雖然投產(chǎn)后開(kāi)始市場(chǎng)反應(yīng)不錯(cuò)，但很快他生產(chǎn)的汽車故障率極高，因?yàn)橐活w螺絲松動(dòng)而引起的方向盤掉落、輪胎飛離等故障和車禍就占了問(wèn)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(cè)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(shí)對(duì)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(méi)有哪個(gè)型號(hào)不含次品，所有人都認(rèn)為只要螺絲能擰上去就行了，對(duì)于那些“相差不能超過(guò)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(shí)，他無(wú)力回天，宣布破產(chǎn)。4水旱從人，不知饑饉，時(shí)無(wú)荒年，謂之天府5（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。6二、自然界演化的不可逆性“我們正越來(lái)越多地覺(jué)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(lái)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(gè)可逆性和決定性只適用十分有限的簡(jiǎn)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7二、自然界演化的不可逆性（一）三種時(shí)間觀：牛頓不變時(shí)間觀熱力學(xué)退化時(shí)間觀達(dá)爾文進(jìn)化時(shí)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8二、自然界演化的不可逆性1.開(kāi)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)。9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(shí)，ds=dis>0無(wú)序第二種情況開(kāi)放系統(tǒng)當(dāng)des>0時(shí),ds=dis+des>0

無(wú)序第三種情況開(kāi)放系統(tǒng)當(dāng)des<0時(shí)且|des|<dis時(shí)，ds=dis+des>0無(wú)序第四種情況開(kāi)放系統(tǒng)當(dāng)des<0時(shí),且|des|＝dis時(shí)，ds＝0宏觀結(jié)構(gòu)不變第五種情況開(kāi)放系統(tǒng)當(dāng)des<0時(shí),且|des|>dis時(shí)，ds=dis+des<0有序10二、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(wú)序；近平衡態(tài)有一定的差異，最終會(huì)趨向無(wú)序；趨使系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)依靠開(kāi)放及內(nèi)在因素。非平衡是有序之源非平衡需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)約束11二、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(shuō)非線性是事物存在和發(fā)展的終極原因普里高津：“對(duì)于耗散結(jié)構(gòu)所必須的另一個(gè)基本特征是在系統(tǒng)的各個(gè)元素中存在著一種非線性機(jī)制?！狈蔷€性三個(gè)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12歧路亡羊楊子之鄰人亡羊,既率其黨;又請(qǐng)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(wèn):"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(shuō)符》13二、自然界演化的不可逆性5.巨漲落孤立系統(tǒng)和開(kāi)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(kāi)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(zhǎng)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

14倫敦上空的云街15牛津上空的云街1617三、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(wú)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(jìng)爭(zhēng)性和協(xié)同性的統(tǒng)一（六）簡(jiǎn)單性和復(fù)雜性的統(tǒng)一18三個(gè)“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(shí)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(dòng)和最輕的原子運(yùn)動(dòng)，均納入同一公式之中。對(duì)于它，再?zèng)]有什么事物是不確定的，未來(lái)和過(guò)去一樣，均呈現(xiàn)在它的眼前?！边@種能夠預(yù)知事物某一時(shí)刻確定狀況的“神靈”被稱為“拉普拉斯妖”。19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(shū)中假象有這樣一個(gè)神通廣大的“妖精”，它能跟蹤充滿容器的每個(gè)氣體分子的運(yùn)動(dòng)。把這個(gè)容器用一道隔板分為A、B兩部分，并在隔板上安裝一個(gè)閥門，當(dāng)閥門打開(kāi)時(shí)單個(gè)氣體分子可以從容器的一部分經(jīng)過(guò)閥門進(jìn)入另一部分去。假設(shè)這個(gè)容器起先完全充滿了一定溫度的氣體，按照熱的動(dòng)力論，一定的溫度對(duì)應(yīng)于一定的平均速度。因?yàn)闅怏w分子運(yùn)動(dòng)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(guò)在適當(dāng)時(shí)刻打開(kāi)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(gè)容器或者系統(tǒng)正是在這個(gè)“妖精”的作用下從原來(lái)的混合均勻無(wú)序狀態(tài)實(shí)現(xiàn)向非均勻、非對(duì)稱的有序狀態(tài)轉(zhuǎn)化。20克勞修斯妖克勞修斯妖（熵妖）：1850年，德國(guó)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