02自然界的存在与演化

恩格斯：《自然辩证法》，P22、 P23
科学家的基本思路是：考虑系统如何从无 序到有序，如果能找到从无序发展到有序 的自然过程，则问题就解决了。
1871年，麦克斯韦提出了著名的“麦克斯 韦妖”（Maxwels demon ）的理想实验。
1929年，德国齐拉德证明麦克斯韦妖其实 是一个有智力的存在物，它能记忆和识别。
⑵地球的演化 地球是在太阳系形成的过程中诞生的。 首先是地球内部圈层的形成和演化 其次是地球外部圈层的形成和演化 再是地壳运动
⑶生命的起源和生物的进化 从无机小分子合成有机小分子 从有机小分子合成生物大分子 从生物大分子组成多分子体系 从多分子体系演变为原始生命
原始生命经历了从非细胞到细胞，从原核 细胞到真核细胞的演化过程。 植物沿着菌藻植物、苔藓植物、蕨类植物、 裸子植物、被子植物的方向进化； 动物沿着无脊椎动物、脊椎动物的方向发 展；脊椎动物又沿着鱼类、两栖类、爬行 类和哺（bu）乳动物类的方向前进，最后 由哺乳动物类分化出了人类。

加，熵产生，永正； d e s ：系统与外界交换物质和能量引起的熵流， 可正可负。
d i s ：系统本身由于不可逆过程引起的熵的增
ds d i s d e s
根据热力学第二定律，恒有 （等号对应于平衡态） ds 则系统没有 在孤立系统中，没有熵流， 0 熵变；ds di s 0 ，系统只能由有序走向无 de s 0 序。
2 y( x2 ) ax2
2 y( x1 x2 ) a( x1 x2 ) 2 ax12 ax2 2ax1 x2
y( x1 ) y( x2 ) 2ax1 x2
特点： ①是各要素间具有非独立的相干性，相互依赖， 相互制约，具有相干协同性，使系统形成一 个有机联系、不可分割的统一整体； ②是具有非加和性，整体的性质和功能不等于 各孤立部分性质和功能的机械叠加，突现了 各孤立部分所不曾有的系统新质；
③是具有非对称性， 反函数 ，这种非对称性使 得系 统从无序走向有序，从低序走向高序； dy 2 ④是非均匀性， ax 的导数 dx 2ax 是一个 y 变数，表明事物的发展不再遵循严格的决定论 和服从动力学规律，而是服从统计学规律，系 统行为具有一定的随机性和不确定性。
y ax
2
1 12 y x a
1948年，信息论创始人申农定义信息熵为 信息量的缺损，即信息量相当于负熵。 麦克斯韦妖获得了信息就是获得了负熵。
1967年，比利时科学家普里高津提出了 “耗散结构理论” 一个处于远离热平衡态的开放系统（无论 是力学的、物理的、化学的、生物的还是 社会的、经济的、文化的系统）可以通过 不断地与外界环境交换物质、能量和信息， 能够从原来的混沌无序的混乱状态，转变 为一种时间上、空间上或功能上的有序状 态。
可以通过对低层系统的结构、规律等方面 的认识，来取得高层系统的一些认识； 可以从高层系统的规律出发，考虑到相应 的边界条件和对应规则，对低层系统的现 象给一些解释。
层次结构中的双向因果链，既表明了低层 系统对高层系统的基础性作用，又表明了 高层系统对低层系统的制约调节性作用。 反对还原主义，也要反对特创主义。
当一个系统存在熵流，即d e s 0 时，要做具 体分析： 当 d e s 0 ，则 ds 0 ，加速了系统趋向无 序； 当 de s 0，且当 de s di s 时，ds 这时系统的总熵随时间 变化而逐渐减小。
层次结构的结合度。 层次由低到高推进，结合的紧密程度由大 到小而递减。 一定的物质层次与一定的阈值相适应。
在认识自然物时，对认识某一层次的物质 系统来说，对它的低层系统在一定范围内 可视为黑箱。
低层系统与高层系统之间的因果联系 低层次系统作为原因可以在高层次系统中 引起一定的结果；而高层次系统作为原因 也会在低层次系统中引起某些结果； “双向因果链”
y 三是具有均匀性： ax 的导数 数，表示变化率恒定，不随时空而变。 在线性相互作用条件下，事物完全按照确 定的规律发展，没有任何随机性，只要知 道了初始条件，根据线性微分方程就可以 测算出它在未来任一时刻的位置和状态。
dy a 为常 dx
非线性相互作用有着本质的不同
y( x1 ) ax12
y( x2 ) ax2
y( x1 x2 ) a( x1 x2 ) ax1 ax2 y( x1 ) y( x2 )
特征 ： 一是加和性：各要素彼此独立，互不干涉， 整体就等于各组成部分之和，根本不可能 有新质突观生成。 1 二是具有对称性：y ax 的反函数 y x a 仍为线性函数。
▲热力学第二定律有两种表述： 开尔文：不可能从单一热源吸收热量使之 完全变为有用的功而不产生其他影响。 克劳修斯：不可能把热量从低温物体传到 高温物体而不引起其他变化。
它们反映了自然界与热现象有关的宏观过 程的一个总的特征，即热传导的过程或功 变热的过程都是不可逆的。 这种不可逆过程的结果，不可能借系统内 部的任何其他过程而自动复原。
开放系统被定义为在同环境交换物质的过 程中呈现出输入和输出、自身物质组分的 组建和破坏的系统。” ——[奥]L.V.贝塔朗菲著：《一般系统论 （基础•发展•应用）》，社会科学文献出版 社，1987年，P118
生命有机体之所以能处于有组织的活动状 态，就是由于生命系统能不断地与外界进 行物质、能量和信息的交换。
“熵”概念来表述热力学第二定律：自然界 的一切自发过程，总是沿着熵增加的方向进 行。 熵的微观意义：微观粒子热运动所引起的无 序性的量度。 熵增加：无序性程度增加，系统更加混乱； 熵减少：无序性程度减小，系统有序程度增 大。

1865年，克劳修斯的两条热力学基本原理： ⑴宇宙的能量是常数； ⑵宇宙的熵趋于一个极大值。 “宇宙热死”
整个自然界可以看作是一个系统，自然界 中的一切物质客体都自成系统。 系统就是自然界物质存在的普遍形式。
2、系统与环境：自然界是一个动态的开放系 统 环境是系统存在的必要条件，系统的性质 和功能是通过环境显现出来的。 系统通过输入与输出对环境发生影响。
孤立系统：与环境隔绝的系统，它们之间 没有任何交换。 封闭系统：与外界环境只有能量的交换的 系统。 开放系统：是与环境自由地进行物质、能 量和信息交换的系统。
把历史观引入自然科学，从而形成科学基 础上的自然界历史观。
三、自然演化的科学图景
自然界的演化过程 ⑴宇宙和天体的起源与演化 第一个阶段是基本粒子形成阶段 第二个阶段是辐射阶段或核合成阶段 第三个阶段是实物阶段

恒星的演化有四个阶段： 引力收缩阶段； 主序星阶段； 红巨星阶段； 脉冲阶段
二、自然界
以系统方式存在着的有机整体
1、系统：自然界物质存在的普遍形式
其一，一个系统必须有两个以上的要素组成； 其二，系统内各个要素之间、系统要素与系统整体之 间的相互联系、相互作用，形成了特定的结构； 其三，系统要素彼此之间联系成一个统一整体； 其四，系统作为整体对环境表现出特定的功能。 系统是由两个以上相互联系与相互作用的要素组成的 具有特定结构和功能的有机整体。
自然界的存在与演化
自然观中有两个问题是最重要的： 自然界是如何构成的？ 自然界是如何发展的。
一、自然界的物质形态 物质形态的多样性和统一性
固态、液态、气态、等离子态、超密态、 真空场 、反物质
真空场：总能量处于最低状态的场，即基 态的量子场。 没有实物粒子，但具有真空涨落、真空相 变、真空对称自发破缺等特性，真空场是 这些性质的载体，说明它是物质的一种特 殊形态。
耗散结构理论指出在开放条件下，系统如 何在不违反热力学第二定律的情况下，经 过自组织过程，从无序演化为有序结构。
3、自然界演化的动力（内在根据） 自然系统进化的内在根据——非线性相互 作用。 非线性相互作用是物质世界的本质，是事 物运动的真正“终极原因”。
线性方程
y( x1 ) ax1
▲生物进化论： 整个生物界的物种都是通过生存斗争和自 然淘汰，经过千百万年进化、分化、复杂 化而发展起来的。
其进化的方向： 简单→→复杂 低级→→高级 无序→→有序 建设、创新、组织化。
这两种理论一个是有序到无序，退化！一 个是无序到有序，进化！ 两种不同的演化图景
“运动的不灭不能仅从数量上去把握，而 且还必须从质量上去理解。” “放射到太空的热一定有可能通过某种 途径（指明这一途径，将是以后自然科 学的课题）转变为另一种形式，在这种 形式中，它能够重新集结和活动起来。”
自然界的物质系统都是非孤立系统、非封 闭系统，总是与环境存在相互作用的开放 系统。 整个自然界就是由各种动态的开放系统组 成的。
3、自然界的整体性与层次性 自然系统的基本属性 ⑴系统的整体性 系统的各个要素按一定方式构成的有机整 体，系统是各个要素的有机集合，而不是 简单地机械加和。
1944年，德国物理学家薛定谔指出：如果 有一种机构，它是开放系统，能够不断地 从外界获得并积累自由能，它就产生“负 熵”。生命体就是这样的机构。他说： “要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办 法就是从环境中不断地汲取负熵。” （《生命是什么》， P78）
一个远离平衡态的开放系统，其总熵 的变化由两部分组成：
贝塔朗菲指出：亚里士多德的“整体大于 各孤立部分之和”的论点，至今仍然是 “基本的系统问题的一种表述。” （贝塔朗菲：《普通系统论的历史和现 状》，载《科学学译文集》，科学出版社， 1981年，P305）
⑵系统的层次性， 系统由一定的要素组成，一方面这些要素 是由更低一层次的要素组成的子系统；另 一方面，系统自身又是更大系统的组成要 素。
反物质：由反粒子（正电子、反质子等） 构成。 从理论上讲存在着反电子、反质子和反中 子等“反”粒子构成的“反”物质，但尚 无观测上的直接证据。