自然辩证法 第二章 20世纪自然科学的发展与系统自然观

第二章：20世纪自然科学的发展与系统自然观

一、系统自然观产生的自然科学基础

（一）现代自然科学的发展

1. 物理学上的新发现

德国物理学家伦琴1895年，发现X射线。

英国物理学家汤姆逊1897年，证实了电子流。

法国.居里夫妇发现放射性元素

2、物理学上的危机——“两朵乌云”

黑体辐射问题——紫外灾难，经典理论无法解释

以太问题——迈克尔逊—莫雷实验

经典物理学陷入危机

3、物理学革命

（1）“相对论”

★1905年，爱因斯坦发表了题为《运动物体中的电动力学》的论文

狭义相对论的两个基本原理：

①相对性原理；物理学定律在所有的惯性系中是相同的，不存在一种特殊的惯性系。

②光速不变原理：在所有的惯性系中，真空中光的速度具有相同的值。

★1916年，爱因斯坦发表了《广义相对论的基础》

（2）量子假说

1900年12月24日，普朗克在法国物理学会上宣读了题为《关于正常光谱能量分布定律的理论》的论文。宣告了量子论的诞生。提出了能量子假说。

（3）光的量子理论

1905年爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上找出了光量子假说，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。（提出“波粒二象性”解释‘光电效应’）量子力学的建立

●法国物理学家德布罗意实物粒子也具有波动性

●奥地利物理学家薛定谔物质波的运动方程

●海森堡测不准关系△x·△p≥h/2

辩证唯物主义自然观的新发展

1．爱因斯坦相对论的建立，否定了牛顿的绝对时空观，把时间、空间联系起来，引起了时空观、物质观、运动观的深刻变革。

2．量子力学揭示了统计决定论的因果观。（改变了经典理论中的严格决定论；说明自然界是一个统一的、不可分割的整体。）

3．分子生物学深化了对生命机制和生命本质的认识

四大理论模型

•宇宙学中的大爆炸模型

•粒子物理学中的夸克模型

•分子生物学中的DNA双螺旋模型

•地球科学中的板块模型

•科学革命的不彻底性和遗留问题

（1）关于自然界是存在还是演化的问题

只克服了机械性、形而上学的片面性和孤立性，而静止性的克服有待科学进一步的发展。

（二）系统科学和复杂性科学

系统科学是把对象作为组织性、复杂性系统从整体上进行研究，以揭示其运动规律和实际处理这类系统的科学。

包括：控制论、信息论、系统论、耗散结构理论、突变论、协同学、混沌理论、超循环理论等

●系统科学的产生和发展

系统科学的产生和发展：

“三论”：系统论、控制论、信息论

(新三论)非平衡理论：

耗散结构理论比利时普里高津

协同学：德国哈肯

突变理论：法国托姆

混沌理论：混乱、无序

最早的系统科学

1、一般系统论（生物学家贝塔朗菲1901-1972）

第一次把“系统”定义为“相互作用的若干要素的复合体”。（使科学研究对象从孤立的部分转向整体）

最早的系统科学

一般系统论是关于系统的一般模式、结构和规律的学问，它研究各种系统的共同特征，用数学方法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门新兴科学。

2、控制论cybernetics（美国维纳1948年创立）

研究系统的状态、功能、行为方式及变化趋势，控制系统的稳定，揭示不同系统的共同的控制规律，使系统按预定目标运行的技术科学。

信息——是控制论的基本概念，既非物质，也不是能量。

反馈——是把被控制对象在控制信息作用下产生的输出信息返回传送给控制器，以根据控制效果来调控控制作用。

3、信息论information theory（美国数学家香农1948年创立）

是运用概率论与数理统计的方法研究信息通信系统、数据传输、系统组织化程度以及信息在系统中如何有效的传输等问题的应用数学学科。

（信息熵作为信息量的测度）

新系统科学—新三论（20世界70年代前后）

自组织（Self—organization）

是指一个系统的要素按照彼此的相干性、协同性或某种默契而形成的特定结构和过程。

（信息来自内部，结构和功能在一定条件下自发产生）

1、耗散结构理论dissipative structure theory（比利时科学家普里戈金1967年创立）

提出一个远离平衡态的开放系统可以通过不断地与外界交换物质、能量和信息，当外部条件达到一定临界值时，从原来混沌无序的状态转变为有序状态，形成有序结构的理论。

2、协同学（德国科学家哈肯1969年创立）

以竞争、协同和序参量等因子的系统内部相互作用解释系统动力学的理论，揭示了自组织的内在动力机制。

３、突变论（法国数学家托姆1972年创立）

从结构的稳定性与非稳定性的对立统一角度用数学语言精确的描述了突变的过程、类型和内容。

证明了突变是“飞跃”的论断

４、超循环理论（艾根1971年创立）

以分子之间的关联形成循环链条的方式解释如何进化成为大分子的理论

揭示了非生命自组织、非生命自组织向生命自组织演化的过程形式和本质。

系统的复杂性

复杂系统是具有中等数目基于局部信息做出行动的智能性、自适应性主体的系统。

中等数目的主体:元素既不能太多,也不能太少.

局部信息:没有中央控制,每个主体只可以从个体集合的一个相对较小的集合中获取信息,做出相应的决策.

智能性和自适应性:系统内的元素或主体的行为遵循一定的规则,根据环境和接收信息调整自身的状态和行为,且主体通常有能力调整规则,产生新规则.

复杂系统的特征

突变性、不稳性、非确定性、不可预测性

以上这些新系统科学的侧重点是系统的演化，据此称它们为“自组织系统科学”

存在物理学（原来物理学）演化物理学

二、系统自然观的基本内涵和思想

（一）系统自然观的基本思想

物质观：开始把具有复杂性特征的事物作为研究对象，注重结构、相互关系及其演化.

时空观：进一步明确时空与物质的关联，表达时空与物质的复杂关系.

演化观：强调事物的生成、演化以及对初值和环境的极端敏感性.

生命观：以“自组织”的观点，揭示事物会自发自主的从非生命演化出生命.

环境和条件观：强调事物与环境的互动.

系统观：把世界看作系统，注重整体性、关联性。（最显著、最根本的）

（二）系统自然观最基本的内涵

1、自然系统不仅存在着，而且演化着；（从存在到演化）

不可逆性（时间之矢）可逆过程（时间反演对称）

使时间从一个外部参量转变为自然演化的内在尺度，提出“内部时间”概念，表明自然科学从存在的科学走向演化的科学。

2、自然系统不仅是确定的，而且会自发地产生不可预测的随机性；