自然辩证法2

大爆炸后13.8秒后 30亿度，氘、氦类稳 定原子核形成。 大爆炸后35分钟后 3亿度，核过程停止， 尚不能形成中性原子。 大爆炸后30万年后 3000度，化学结合作 用使中性原子形成，宇宙主要成分为气 态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成 密度较高的气体云块。
力量，没有涨落就没有进化运动。整个进化过程就是涨落与
系统的宏观结构在开放条件下，在相互对抗中的产生、成长、
系统结构更迭和自身消亡的过程。“星星之火可以燎原”就
是揭示的涨落的这一成长过程。
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大爆炸理论勾画出的宇宙历史
大爆炸始于 150－200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。 大爆炸后10- 43秒， 宇宙从量子背景出现。 大爆炸后10-35秒， 同一场分解为强力、电弱力和引力。 大爆炸后10-5秒， 10万亿度，质子和中子形成。 大爆炸后0.01秒， 1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中 子仅占10亿分之一，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。 大爆炸后0.1秒后 300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。 大爆炸后1秒后 100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应 出现，核力尚不足束缚中子和质子。
内三圈(地核、 地幔、地壳)
2.1.3 生命的起源与进化
ⅰ)生命的起源 《圣经》的说法：上帝创造
神说，地要发生青草，和结种子的菜蔬，并结果子 的树木，各从其类，果子都包着核。事就这样成了。 于是地发生了青草，和结种子的菜蔬，各从其类， 并结果子的树木，各从其类，果子都包着核。神看 着是好的。
——《圣经·创世纪》
涨落
•
在所有的宏观运动中都存在一定的与宏观轨迹的偏离，
比如，火车运行中的颠簸；室内温度在任何瞬间都存在不停
的跳动；人的大脑中总是不停的出现各种偏离正常思维的想
象等等。在耗散结构理论中，这种微小的偏差就叫做涨落。
在过去的观念中，涨落是微不足道的，完全可以把它忽
略。而现代理论恰恰发现了这种涨落正是进化系统中的革命
• 1927年，勒梅特也提出了一个膨胀宇宙模型。
• 20世纪中叶，伽莫夫等人提出了热大爆炸宇 宙模型。从此，许多人把大爆炸宇宙模型看 成标准宇宙模型。
• 1980年，美国的古斯在热大爆炸宇宙模型的 基础上又进一步提出了暴涨宇宙模型。
2.1.2 地球的起源与演化
外三圈(岩石圈、 水圈、大气圈)
生物圈
• 1922年，弗里德曼发现，根据爱因斯坦 的场方程，宇宙不一定是静态的，它可 以是膨胀的，也可以是振荡的。前者对 应于开放的宇宙，后者对应于闭合的宇 宙。
哈勃
• 1924年，哈勃确定河外星系的存在， 他并且发现星系离开我们远去的速度 与离开我们的距离成正比。星系越远， 则离开我们的速度就越快，即宇宙在 膨胀。这就象一个吹涨的气球，球上 的任意两点都在相互离去，并且两点 间的距离越大，它们彼此远去的速度 就越快，但没有任何一点可以看作是 膨胀的中心，事实上膨胀是非常均匀 的。
进化的标准： A、达尔文的观点：生物器官的专业化和完善程度 进化是从简单到复杂、从低级到高级的过程 困难在于：不同模式的成员在等级上无法比较
B、系统科学的观点：有序度＝进化的程度 进化是从无序到有序、从低序到高序的过程，也是系统的有
序度提高的过程。
ⅰ）序、有序与无序
序的基本词义为“排列”，可引申为一种 规则的状态。
有序是指系统要素间联系的规则性，无序 是指系统要素间联系的无规则性。
规则性是一种确定性，无规则性是一种非 确定性。
有序与无序的度量
①熵S：系统的状态函数，表征系统的混乱即无序的程度。熵增 加的过程是系统从有序到无序的过程。熵的大小与它可能出 现的微观状态数目W有关。 熵的玻尔茨曼公式：S=klnW
• 遗传：遗传是指亲子代个体在性状上的相似 性，它是因为亲代个体将自己的遗传物质 （主要是DNA）复制一份然后通过生殖细 胞传递给后代来完成的。
• 变异：所谓变异，就是生物的亲代（即父母） 和子代（即子女）之间以及子代与子代之间 在身体形态特征和生理的特征上所存在的差 异。
• 生物的进化是遗传和变异共同推动的。
自然发生论
• 古埃及人认为，尼罗河的淤泥经过阳光 曝晒,可以生出鱼，青蛙，蛇，鼠等。 古印度人认为，汗液和粪便可以产生虫 类。中国古代则有 “腐草化茧”， “腐肉生蛆”的说法。到19世纪中叶， 自然发生论才被否定。
现代科学技术对生命起源的研究
• 根据化石资料分析，地 球上最早的细胞出现在 35亿年前。
ⅱ）宇宙起源的理论
340 B.C.——亚里士多德——《论天》
一、月食是由于地球的影子投到月球上所致。 二、由于月食时看到的地球的影子总是圆的，可 以推断地球应该是一个球体，而不是圆盘状。 三、地球是宇宙的中心。太阳、月亮、行星和其 它恒星分别附在八个天球上，以完美的圆形轨道绕地 球旋转。
公元2世纪—托勒密—地心说
主要著作： 《天体运行论》
太阳位于宇宙中心， 而地球则是一颗沿 圆轨道绕太阳公转 的普通行星。
1609年，开普勒行星运动三定律
• 椭圆定律 • 面积定律 • 调和定律（1618年）
伽利略与牛顿
• 1609年，伽利略则率先 用望远镜观测天空，用 大量观测事实证实了日 心说的正确性。1687年， 牛顿提出了万有引力定 律，深刻揭示了行星绕 太阳运动的力学原因， 使日心说有了牢固的力 学基础。在这以后，人 们逐渐建立起了科学的 太阳系概念。
ⅱ）可逆与不可逆
什么是可逆？什么是不可逆？ 一个物质系统从某一状态(Ⅰ)出发，发生变
化，经过一个过程之后，到达另一个状态 (Ⅱ)，如果存在一个过程，能够使状态Ⅱ 和其环境再回到系统原有的状态Ⅰ，则这 一过程是可逆的，否则是不可逆的。
可逆与不可逆的区分是1930年由物理学家普朗克提 出的，他把所有的自然界的运动分成这两类。
K是玻尔茨曼常数，W是微观状态的个数。 对于一个系统而言，其宏观状态可以应用一些宏观参量如体积、
温度等确定，系统内要素的状态则称为微观状态，比如物质 单元（分子）的状态。因此，一个宏观状态可以对应很多微 观状态，在这种意义上，微观状态可以看成系统要素的空间 分布，一种分布就是一种微观状态。
②信息量（bit）
赫歇尔
• 18世纪中叶，赖特、康德 和朗伯推测说，布满全天 的恒星和银河构成了一个 巨大的天体系统。赫歇尔 首创用取样统计的方法， 用望远镜数出了天空中大 量选定区域的星数以及亮 星与暗星的比例。
天王星的发现者 威廉 ·赫歇尔
现代宇宙学的发展
• 1917年，A.爱因斯坦 运用他刚创立的广义 相对论建立了一个 “静态、有限、无界” 的宇宙模型，奠定了 现代宇宙学的基础。
当代天文学的研究成果表明，宇宙是有层次结构 的、物质形态多样的、不断运动发展的天体系 统。
• 行星是最基本的天体系统。行星、小行星、彗 星、流星体都围绕中心天体太阳运转，构成太 阳系。太阳占太阳系总质量的99.86％。2500 亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的 天体系统——银河系，直径约10万光年。银河 系外还有许多类似的天体系统，称为河外星系， 常简称星系。现已观测到大约有10亿个。星系 也聚集成大大小小的集团，叫星系团。……目 前天文观测范围已经扩展到200亿光年的广阔 空间，它称为总星系。
信息是对不确定的消除。不确定性消除越多信息量越大。 结论： A、我们可以把自然界的进化理解为从无序、低序到有序、
高序的过程。 信息量的增加是进化，熵的增加是退化。
B、在自然界中，绝对的进化与绝对的退化都是不可能的， 进化与退化在一定条件下可以互相转化。自然界的一种 变化，在一种条件下是进化，在另外一种条件下是退化。
2.2 自然演化的序向和机制
• 自然演化的序向 • 自然演化的自组织机制
2.2.1自然演化的序向
序向指的是方向性， 是自然变化的一 种内在的本质属 性。
Case：布里丹毛驴， 缺乏方向性而使 行为无法发生 。
自然演化的两个特定方向：进化与退化
变化与进化(change & evolution)：事实判断与价值判断(to be & ought to be)
行星与卫星
宇
太阳系
宙 总星系
图
银河系、河外星系
式
星系团
超星系团
银河系（milky way galaxy）
• 科学家已确认，中央核球的 主要成分是一些老年恒星和 老年星团。旋臂的成分则是 完全不同的另一类天体。旋 臂中的天体属于十分年轻的 亮星和疏散星团。旋臂区域 内是星际气体和尘埃粒子的 最高度集聚区，所以那里也 是新的恒星形成的最适合的 所在。太阳位于这些旋臂中 的一条 。
• 地球在宇宙的中央安然不动，月亮、 太阳和诸行星以及最外层的恒星天都 在以不同速度绕着地球旋转。为了说 明行星视运动的不均匀性，他还认为 行星在本轮上绕其中心转动，而本轮 中心则沿均轮绕地球转动。地心说曾 在欧洲流传了1000多年。
托勒密及其宇宙图式
阿波罗尼的本轮套均轮说
1543年—哥白尼—日心说
ⅲ）不可逆、时间、对称破缺
• 不可逆是世界的真实。 • 时间在演化中成为矢量。 • 原来具有较高对称性的系统出现不对称因素，其对称程度自发降
低, 这种现象叫做对称性自发破缺。 • 对称发生了自发破缺——原来具有高度对称性的受精卵（从它具
备衍生出其它所有细胞的角度来讲），到由越来越特化的细胞 （从它们所能衍生的细胞种类越来越少来讲）组成的胚胎。事实 上这个例子里面的对称破缺是不言自明的。 • 整个纷纭的自然界，包括人类自身，都是对称自发破缺的产物。
自然演化的科学图景 自然演化的序向和机制
2.1 自然演化的科学图景
• 宇宙的起源与演化 • 地球的起源与演化 • 生命的起源与演化
2.1.1 宇宙的起源与演化
ⅰ)宇宙的结构层次
横四维而含阴阳，紘宇宙而章三光。 ——《淮南子·原道训》
高诱注：“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地。”
可见，宇指无限空间；宙指无限时间。
牛顿力学在时间上可以反演，是可逆的、对称的， 气体的扩散、热传导是不可逆的。
可逆与不可逆是相互联系的。前者是相对的，后者 是绝对的。严格说来，自然界发生的所有实际过 程都是不可逆的，可逆过程常常是有条件的理想 化过程。不可逆导致自然系统的进化或退化。
Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858―1947
broken-symmetry
2.2.2 自然演化的自组织机制
ⅰ)何谓自组织？
指自然界物质系统自主Fra Baidu bibliotek或自发的组织化、 有序化和系统化的运动过程，即系统在没 有任何外部指令或外力干预下自发地形成 一定结构和功能的过程和现象。
ⅱ）耗散结构理论
• 耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在 外界能量流或物质流的维持下,通过自组织 形成的一种新的有序结构。这种在远离平衡 的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构, 由于需要不断与外界交换物质或能量才能维 持,因此称之为“耗散结构”。
非线性相互作用：自然演化的内在机制
• 系统内部的作用关系不是各种作用的简单叠加 所能说明的，而是多种作用相互制约、耦合而 成的全新的整体效应。
• 非线性相互作用及其效果，随时间、地点的不 同，以不同的形式表现出来的。
• 相互作用的要素之间存在着支配与从属、策动 与响应、控制与反馈、催化与被催化等不对称 关系 。 返回
普利高津 (Ikya Prigogine，1917-2003)
ⅲ）系统演化的条件
第一、系统必须远离平衡态。 第二，系统必须是一个开放系统，即系统内外
环境之间要有物质、能量、信息的交换，使 信息内部的熵逐步减小。 第三，系统内各要素的非线性相互作用。 第四，内部涨落，即系统内部的随机涨落与突 变。（蝴蝶效应）
• 关于地球上细胞生命起 源有两种假说，俄罗斯 的生化学家Aleksander Oparin提出地球上的有 机分子是在合适的化学 和物理条件下自然形成 的。
美欲用彗星撞击模拟实验寻找生命起源
• 3500万年前，一个巨 大的小行星或彗星在 今天的美国弗吉尼亚 州切萨匹克湾附近撞 击地球。
ⅱ）生物的进化：遗传与变异 返回
德国物理学家，量子物理学的开创者和 奠基人，1918年诺贝尔物理学奖的获 得者。
普朗克的伟大成就，结束了经典物理 学一统天下的局面。一生发表215篇研 究论文和7部著作，其中包括1959年所 著的《物理学中的哲学》。在普朗克 诞辰80周年的庆祝会上，人们“赠给” 他一个小行星，并命名为“普朗克行 星”。 1947年10月3日，普朗克在哥廷 根病逝，终年89岁。 墓碑上只有 h=6.63×10-34J·S 。