自然辩证法概论课件第二章

第二章现代科学技术和自然观的发展第一节19—20世纪之交的物理学革命与系统自然观的产生一、世纪之交的物理学发现、危机这些新发现动摇了原子和元素不可分、不变、是物质组成最小单位的形而上学的观念。

同时，正当人们陶醉在物理学经典体系“尽善尽美”的境界时，物理学的晴朗天空中却出现了“两朵乌云”，这就是当时经典物理学理论无法解释的麦克尔逊—莫雷实验和黑体辐射实验。

物理学陷入空前的危机。

麦克尔逊—莫雷实验：按照麦克斯韦的理论，电磁波必须依靠以太介质以有限速度来传递，但寻找以太的实验未取得肯定结果。

这意味着在真空中传播的光速对以任何速度运动的物体来说都是不变的。

这意味着不存在时空的绝对参考系。

（爱因斯坦突破了以太说和牛顿的绝对时空观，在1905年提出了狭义相对论）黑体辐射实验1900年，英国物理学家瑞利根据经典统计力学和电磁理论，推出了黑体辐射的能量分布公式。

该理论在长波部分与实验比较符合，但在短波部分却出现了无穷值，而实验结果趋于零。

这部分的严重背离，被称为紫外灾难。

1900年普朗克作出了一个公式，使在长波和短波部分均与实验相吻合的公式。

但根据不足。

他发现，只要假定物体的辐射能不是连续变化，而是以一定的整数倍跳跃式的变化，就可以对自己的公式做出合理的解释。

他于是将最小的不可再分的能量单元称谓能量子或量子。

当年宣告量子论的诞生。

19世纪末的三大发现，动摇了经典物理学的许多基本概念，打开了原子结构的大门，否定了经典物理学原子不可分、元素不能变的传统观念，揭示了质量、能量的新形式。

量子理论的能量子假说与经典物理学几百年信奉的关于自然界的连续的观念直接矛盾。

这样一个理论为光的波粒二象性本质的认识提供了方向。

经典物理学的危机实质是形而上学思维方式和机械论自然观的危机，表明旧理论在新发现面前的无能为力。

量子力学和相对论的创立充分说明这样一个事实：自然科学的重大理论突破，需要善于发现已有的理论与实践的矛盾，需要有勇于挑战传统理论的自信心与勇气；重大理论的创建和形成，往往要经历长时间的争论以至非难，在得到反复验证后，才被承认；同时也说明创新意识、创新思想在科学研究中所具有的重大作用和意义。

二、20世纪上半叶的物理学革命及其辩证自然观思想20世纪初，正是在解决新实验事实同旧理论之间的矛盾的过程中，爱因斯坦和普朗克等科学家创立了以相对论和量子力学为支柱的现代物理学理论体系。

1 相对论1905年德国科学家爱因斯坦创建狭义相对论，科学地揭示了时间与空间、时间和空间与物质运动之间、质量和能量之间的统一性。

1916年他又创立了广义相对论，揭示了空间、时间与物质之间存在的辩证关系。

同时性具有相对性。

运动着的钟会变慢。

运动的尺会变短。

以上都取决于参考系运动的速度。

光速。

时空与物质运动速度有关。

光走过引力场时走的是弯曲的道路，就像炮弹在引力场作用下沿抛物线下落。

而光是物体运动的极限，所以光走的是最短程。

弯曲的线是短曲线，这说明引力场时空间弯曲，空间弯曲的程度取决于引力场的强度，或者说取决于物质的状态。

————进一步说明空间与物质发生了密切的联系。

引力红移。

引力场时光线偏转。

广义和狭义相对论的诞生，革新了物理科学的基本概念的框架。

由于近代世界图景主要由物理科学提供，也可以说相对论革新了世界图景。

世界的图景不再是“筐子装东西”式的“时空+物质”模式。

由于时空与物质及其运动之间发生了关联，世界图景变成了“时空-场-物质-流形”。

经典物理学中时空与物质之间的二分消解了，物质运动与时空成为一体。

相对论在时空观方面的革命完全奠基于对希腊古典科学精神的再度弘扬。

这种精神就是对世界普遍性的追求，对宇宙和谐的追求，对数学简单性的追求。

在狭义相对论中，“光速不变原理”起到重要的作用，它的功能在于统一电动力学与牛顿力学，他说：狭义相对论的成就可以表征为一般地指出了普遍常数c（光速）在自然规律中所起的作用。

在广义相对论中，等效原理即引力场与加速度的等效是一个关键，它的功能也视为物理学的大统一奠定基础。

可以说，为物理学奠定新的统一的概念基础是相对论的最重要贡献，也就是导致物理学革命的主要原因。

卢瑟福：原子有核模型。

原子质量基本上集中于核上，饶核旋转的电子所带负电正好与核所带的正电相等量。

原子表现出电中性。

玻尔：量子化的原子结构模型。

电子只在一些特定的圆轨道上绕核运行。

当它在这些特定的轨道上运行时并不发射能量，只有从一个较高能量的轨道向一个能量较低的轨道跃迁时才发出辐射，反过来则吸收辐射能。

这样一个理论是对卢瑟福模型的完善，也得到氢原子光谱分析的验证。

这个理论违背古典理论德布罗意：物质波理论。

光量子理论推广到一切物质粒子，特别是电子。

电子也是一种波。

海森堡：矩阵力学。

互补原理：微观领域测不准原理。

这些革命性成就的取得，一方面产生了两个全新的自然科学基础理论：相对论和量子力学，另一方面还对自然观产生了深远影响，展现出一幅全新的自然景观：其一，彻底推翻了物质与运动无关的形而上学观点，深刻地揭示了物体质量与运动速度、物质质量与时空之间的深刻关联；其二，绝对时空并不存在，时空不仅与物质关联，而且本身就是物质、运动的存在属性和方式。

同时，它还触发了一系列深刻的哲学和科学争论。

爱因斯坦与波尔之争.doc海森堡提出微观领域测不准原理。

任何一个粒子的位置和动量不可能同时准确测量，要准确测量一个，另一个就完全测不准。

珀尔敏锐地意识到它正是表征了经典概念的局限性，因此以之为基础提出了“互补原理”，认为在量子领域里总是存在着互相排斥的两套经典特征，正是它们的互补构成了量子力学的基本特征。

珀尔的互补原理被称为正统的哥本哈根解释，但爱因斯坦表示坚决反对。

他始终认为统计性的量子力学是不完备的，而互补原理是一种妥协。

二人之争持续半个世纪，直到他们本人各自去世也没有完结。

量子力学更激烈地改表了世界图景的构造。

如果说相对论只是把时空框架与物质运动融为一体，还保留了牛顿力学固有的严格决定论的数学微分方程，保留了因果律，保留了定域性（拒绝超距作用），那么这一切在量子世界中都多或少地遭到了破怀。

量子概念是量子力学的首要概念，它的引入导致了一系列基本概念的改变：连续轨迹的概念被打破，代之以不连续的量子跃迁概念；严格决定论的概念被打破，代之以概率决定论；定域的概念被打破，代之以整体论的概念。

伴随着这些基本概念的变化，量子世界出现了波粒二象性、测不准原理、定域性破坏等。

3.分子生物学1953年美国生物学家沃森、英国生物学家克里克和维尔金斯关于DNA双螺旋结构的发现，标志着分子生物学的诞生，它阐明了生物界结构和生命活动的高度一致性。

三、系统科学的出现和系统自然观的诞生20世纪40年代末兴起的控制论、信息论、系统论，是系统科学研究的第一批成果。

20世纪70年代前后相继出现的耗散结构理论、协同学、突变论、超循环论等自组织理论及分形理论、孤粒子理论和混沌理论，是系统科学的最新发展。

系统科学的诞生给辩证自然观的发展增添了新的思想和内容：在物质观上开始把具有复杂性特征的事物作为研究对象；在时空观上深入研究时空与物质关联的复杂性；在演化观上强调事物的生成与演化及其方向和趋势；在生命观上突出“自组织”的观点（事物自发自主地从非生命演化出生命）；在发展观上强调环境和条件（外因）的作用；最大的变革在于它提出了自然界是一个系统的观点四、系统自然观的基本内涵和思想系统自然观建立在新物理学革命和系统科学基础之上，为人们描绘出一幅从基本粒子、原子、分子化合物直到人类，从微观领域到宇观天体系统演化的自组织、自我运动、自我创造的辩证的演化发展的自然图景。

系统自然观的基本内涵它揭示了自然系统不仅存在着，而且演化着；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；自然系统不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的。

阐发了自然界是确定性与随机性、简单性与复杂性、线性与非线性的辩证统一的思想。

这不仅丰富和发展了辩证唯物主义自然观，更为重要的是，它突破了传统的思维方式，提供了一种探索组织性、复杂性问题的全新的思维方式——系统思维方式。

第二节自然界的系统存在方式及其演化一、何谓“系统”？所谓“系统”，是由若干相互联系、相互作用的要素组成的具有特定结构与功能的有机整体。

系统的四层含义：系统由若干要素组成，要素是构成系统的基本单元；系统内部诸要素之间、系统要素与系统整体之间相互联系、相互作用具有特定结构；要素彼此之间联系成为一个统一的有机整体；系统具有特定的功能，并在系统诸要素的功能耦合中凸显出来。

系统的基本特征：整体性：有机整体，非加和性。

贝塔朗菲：相干性，部分之间的约束、选择和协同的关系;物质系统中任何一个子系统形状的改变是所有子系统形状变化的结果，又会引起所有子系统形状的变化，这些因素之间的关系是互为对象的双向因果关系。

层次性，是系统要素的空间关系。

要素由于性质、状态基本相同形成一定的组，各个组在宏观性质上具有质的区别，各有其特殊的规律。

各个组可以并列关系，可以是上下关系，包含与被包含关系，整体与部分协调性系统的结构与功能陈昌曙57页自然界的层次结构陈昌曙59页二、系统是自然界物质存在的普遍形式19世纪，恩格斯明确指出系统是自然界物质的存在方式。

从人与自然的关系：自然系统可分为天然自然系统和人工自然系统。

从自然系统与环境的关系，可分为：孤立系统，封闭系统和开放系统。

就系统的状态而言，自然系统可分为平衡态系统，近平衡态系统，远离平衡态系统孤立系统：没有物质和能量的交换。

熵趋于最大值。

死系统封闭系统：同环境有能量的交换，没有物质的交换。

地球。

开放系统：由物质与能量的交换。

具有自组织功能，具有达到预期的某种终极状态的能力，又在一定条件下趋向于一定的稳态。

生命系统。

开放系统的特点（1）外部特征是存在输入和输出，同环境不断地交换信息、能量和物质；（2）内部特征是不断破坏自身旧的物质成分，不断组建新的物质成分，广义的新陈代谢；（3）开放系统可能具有等结果性：不同的初始条件可能以不同方式达到相同的最终状态。

开放系统也有边界，有一定的开放度，而且是有选择、有过滤地向环境开放，如生命对自然环境的开放。

所谓充分地开放，也只是系统得以保持和稳定发展基础上的充分开放。

并不是无条件地越开放越好。

平衡态系统：在没有环境因素的作用下，内部的相互作用处于相对静止、稳定的状态，即内部无差异、各种量相同。

近平衡态系统：是系统内部有一定差异，但只能导致线性相互作用的状态，线性相互作用的一个特征就是整体等于部分之和。

远离平衡态系统：是系统内有较大差异，可使系统出现非线性相互作用的状态，非线性相互作用的一个特征就是整体不等于部分之和。

三、自然界的演化20世纪的新物理学革命革新了机械自然观的物质观和时空观。

随后出现的系统科学和非平衡态热力学则带来了从静止到演化的自然观——演化发展的自组织自然观。