第二章 系统自然观

加和性与非加和性
加和性： 是指各部分可以用简单相加的办法逐渐建立整体的特 性，即整体的特征能够分解为各个要素的特征之和。 非加和性： 系统各部分之间的相干性，使系统出现其组成部分 所没有的新属性，系统与其构成要素之间出现质的 差异。相干性是指一种耦合关系。 耦合各方经过物质、能量、信息的交换而彼此约束、 选择、协同和放大。约束和选择意味着耦合各方原 有自由度的减少乃至部分属性的丧失；协同和放大 意味着耦合各方在一种新的模式下协调一致地活动， 其原有的属性可以被拓宽放大。它们交错重叠在一 起，共同导致属性不可分割的整体的形成。
第二节 自然界的系统存在方式
一、系统概念
系统是由若干相互联系、相互作用的要素 所组成的具有一定结构和功能的有机整体， 系统是自然界的一种根本属性和存在方式。 “系统”一词最早见于古代原子论的创始者德谟 克利特的《世界大系统》一书，意指部分组 成整体。亚里士多德曾提出“整体大于它的 各部分之和”。
3.系统自然观确立的重大意义
1）丰富和发展了辩证唯物主义自然观
2）提供了系统思维方式
系统分析方法与还原分析方法是不同的。
1）丰富和发展了辩证唯物主义自然观
⑴揭示了自然界的系统性、整体性和层次性。 ⑵揭示了自然界物质系统的开放性、动态性和 自组织性。
⑶揭示了时间的不可逆性，以系统、要素、功能、层 次、有序、无序、整体等概念对物质存在的空间形式、 物质的广延性作了定性和定量的描述，阐明了时空与物 质的相互联系，丰富、深化了辩证唯物主义的时空观。
1948年，控制论由美国科学家维纳创立。 同年，美国科学家香农等人创立了信息论。 一般系统论提出了系统、元素、结构、功能、 系统环境等最基本的系统概念，提出了系统的 研究方法和原则。控制论研究了系统控制的方 式、信息流向等重要问题和自动控制等实用问 题。信息论研究通信系统及其他系统内外信息 的产生、演化、存储和传递及其作用。 系统科学以系统观点看待自然界，揭示了自 然界物质系统的整体性、层次性、动态性和开 放性。
系统分析方法与还原分析方法是不同的。
还原分析方法有两个前提：
“部分”间无相互作用或相互作用可忽略； 描述部分的行为的关系式是线性的，这样才 能进行累加，保证描述总体行为的方程和描述 部分行为的方程具有相同的数学形式，以便通 过部分过程相加取得总体过程。 显然，这种分析方法和思维方式不适用于复 杂对象。
非线性系统的特征
非均匀性：表现在空间颁布、作用方式、效果随时间、 地点不同而不同，如我们熟知的台风，其便是复杂的 非线性系统，它内部是不均匀的； 相干性：系统内部各要素相互约束，相互反馈，相互 干扰，线性叠加原理失效。如光干涉、衍射等； 不可逆性：这是非线性系统的普遍特征，生命活动不 可逆每日天气不可逆，深化行为可逆，其主要原因便 是由于非线性系统的非均匀性(主要是时空上的不均匀)， 使得系统内部各要素的重要性及作用不对称。
仅有能量交换而无物质交换
开放系统
既有物质交换又有能量交换
三、系统的类型
2. 按系统内发生的实际过程，分为： 物理系统 化学系统 生命系统等；
三、系统的类型
3. 按系统内各要素相互作用的特点，分为： 线性系统； 非线性系统。
自然界的系统性
三、系统的类型
4. 按人类对自然的认识程度不同，分为： 黑系统
又叫“黑箱”，不知系统的要素和结构
白系统
又叫“白箱”，清楚系统的要素和结构
灰系统
又叫“灰箱”，系统的要素和结构若明若暗
三、系统的类型
5. 按人类在物质系统构建中的地位和作用， 分为：
天然系统； 人工系统； 复合系统等。 人们采用不同的视角和不同的标准，可以对自然 物质系统作出不同的划分。如： 微观物质系统、宏观物质系统、宇观物质系统； 生命系统、非生命系统； 连续系统、离散系统； 精确系统、模糊系统等等。
第一节 系统自然观及其自然科学基础 20世纪的自然观在科学技术迅速发展的极大 推动下有了越来越自觉的辩证意识，这个自然 观更加关注相互作用的系统联系、关注演化特 性，以及关注人与自然相互和谐的生态协调。 这是20世纪辩证自然观的三大基本特征。 20世纪的科学自然观，首先是一种关注相 互联系的系统自然观。由于物理学革命对物质 和运动、物质和时空联系的强调，由于系统科 学发展的三次高潮，带来了科学视野中对普遍 联系的特别关注。强调系统联系的思想，成为 20世纪辩证自然观的显著特征。
四、系统的基本特点
1. 整体性 ① 系统整体性 系统的各个要素按一定的方式构成有机整 体，而具有不可还原的整体性质，即作为 物质系统的整体，出现了它的组成部分所 没有的性质或者失去了组成部分所具有的 性质。
四、系统的基本特点
1. 整体性 ② 系统整体与部分的关系
系统整体由部分组成，整体不能脱离部分而独 立存在。因此，在系统中，整体和部分之间存 在着某些加和性或守恒关系。 系统整体中的各组成部分之间存在着相互作用， 会造成部分中旧质的消失而在整体中产生出新 质。因此，在系统中，整体与部分之间又存在 着非加和性或非守恒关系。
自组织理论等属于“演化科学”（描述不可逆性和 复杂性，使时间从一个外部参量转变为自然演化的内 在尺度）。 对自然的认识从存在深入到演化，试图在存在与演 化之间架起一座桥梁。
2）自然系统是确定性和随机性的统一
非线性系统会自发地产生不可预测的随机性， 并且这是普遍现象。
3）自然系统是简单性和复杂性的统一
20 世纪 60 年代以来，一批物理学家对非线性、 复杂性问题进行了更广泛深入的研究。
法国数学家托姆于 1972 年建立了描述和预测系统 艾根提出的超循环论，揭示了生物大分子形成的自组 演化在临界点突变行为的数学框架“突变论”。 织形式，架设了从无生命向生命过渡的桥梁。 普利高津（ 1917~ ）提出了以耗散结构为核心的系 美国的洛仑兹（及费根鲍姆等）研究了“对初 哈肯（1927~）研究了多组分大系统怎样由无序态， 统自组织理论。 始条件有敏感依赖性”的非线性系统，开创了混 经过其中的子系统的合作运动，转变为有序结构，建 混沌理论突破了牛顿和拉普拉斯的关于过程确定性的 立了协同学（1969）。 沌学，揭示了隐藏在混乱现象深处的惊人秩序以 观点（从根本上消除了拉普拉斯决定论的可预测性的观 及自然万物生长演化的普适规律，揭示了确定性 念），有人认为是继相对论和量子力学后物理学的第三 大成就。 系统的内在随机性，体现了随机性存在于确定性
⑷揭示了自然界再循环发展中有序与无序、进化与退 化的辩证统一。
2）提供了系统思维方式
⑴ 把对象作为系统考察，从整体、部分和环 境相互作用解释对象的整体性质和运动规律。
⑵认为系统具有非加和的性质及系统性质。 认识系统的目的就在于把握这种系统性质。
⑶把系统看作动态的开放系统。
⑷ 侧重于从无序、不稳定性、多样性、不平 衡性、非线性等方面研究对象。
线性与非线性
线性和非线性首先用于区别函数y=f（x）对自变量x的 依赖关系。线性函数，画出来是一条直线。其它一切 高于x一次方的多项式函数和其它函数，都是非线性的。 最简单的非线性函数是抛物线。 线性指量与量之间的正比关系，函数图象一根直线。 在线性系统中，部分之和等于整体，描述系统的方程 遵从线性叠加原理，即方程的不同解加起来极为解。 非线性则与之相反，无正比性质，因此更复杂，非线 性系统则叠加原理失效。
1、系统科学、非线性科学和复杂性研究
20世纪初，一些生物学家就提出不能把生物 体看作是由器官、细胞构成的集合。 从30年代起贝塔朗菲（ 1901~1971）提出， 生物学的主要任务是发现生物系统一切层次上 的组织原理，认为整体在性质上不同于它的各 个部分的加和，在创立的系统论中，提出了 “整体不可分性”的“机体论”和“整体论” 原则，使科学从研究孤立的部分转向研究系统 及其规律。
系统的元素、结构、环境与功能关系
决定和影响系统功能的三个因素中，起主要作 用的不是组成元素和环境而是结构。因为环境仅是 功能存在和实现的条件，不是决定功能的内在根据。 决定系统整体功能的内在根据是系统的组成元素和 组成元素之间相互作用的结构。而系统的组成元素 虽然是系统具有某种功能的物质基础和物质载体， 但它不直接决定系统的功能。同组成元素相比，结 构对系统性状、功能的决定作用更为直接。所以， 比之环境和元素，系统的结构对于决定系统功能具 有更直接更根本的意义。
四、系统的基本特点
2. 开放性 自然系统具有物质、能量、信息三要素， 开放系统是指系统与外界环境进行物质、 能量、信息的交流。自然界的物质系统都 是与外界环境存在相互作用的开放系统， 整个自然界就是由各种开放系统组成的。
四、系统的基本特点
3. 动态性 现实开放的自然系统在产生、发展、衰退、 消亡的过程中与外界不断进行着物质、能 量、信息的交流，这就是系统的动态性。 系统熵增走向无序、退化，系统递减便走 向有序、进化方向发展。
非加和性
例证：
在一个原子中，原子核与电子之间的制约使电子受到 时空状态、随机性、自由度等方面的约束；由于约束， 排除了一部分可能的状态，保留了另一部分可能的状 态，这便意味着选择，最终使得核与核外电子协同构 成原子，使原子具有了金属性、非金属性等原子核与 核外电子所不具有的新属性。 如果整体由于部分的相干性出现新属性，则整体在相 关的属性上，便表现出非加和性。这种非加和性特征 表明，物质系统的整体特性既不能归结为它的组成部 分的特性，也不是其组成部分的简单“堆积”。
四、系统的基本特点
4. 稳Fra Baidu bibliotek性 ① 系统的稳定性
物质系统的稳定性是指物质系统在一定环境条件 下能够保持某种状态的特性，它体现了物质系统 与环境的相互作用关系。
四、系统的基本特点
4. 稳定性 ① 系统的稳定性的衡量
线性系统的特征
均匀性：首先它表现在系统量在空间分布上均匀，其 次表现在系统各要素之间相互作用的权重在时间、空 间上均匀。 独立性：两个不同因素的组合作用等于每个因素单独 作用的简单叠加，遵守线性叠加原理。 可逆性：线性系统中将时间T反转变为T=-T，那么将 沿同一轨迹回到原状态，例如牛顿第二定律，F=ma， 如果T=-T，它的形式是不变的，将沿原运动的逆运动 运行。
二、系统是自然界物质存在的普遍形式
整个自然界中的各种物质客体，从微观粒 子到宇宙天体，从生物大分子到整个生物圈， 无不以系统的方式存在着。 例如 无机界 ：强子，原子； 有机界 ：DNA，细胞； ……
三、系统的类型
1. 按系统与环境之间关系，分为： 孤立系统
既无物质交换又无能量交换
封闭系统
传统科学研究的对象是简单的：线性的、平 衡态的、规则的、有序的、确定的、可逆的。 但自然系统实际上是复杂的：非线性的、非 平衡态的、不规则的、无序的、不确定的、不 可逆的。复杂系统的各要素之间存在着非常复 杂的反馈、自催化、自组织作用。 复杂性也是普遍存在的。
4）自然系统是线性与非线性的统一
传统科学研究的都是线性系统； 但线性系统只是现实自然系统的近似，现实 自然系统是非线性的。非线性是普遍的，线性 才是特例。 自然界是线性与非线性的辩证统一。
• 20世纪40年代开始到90年代，出现了在分析特 征的科学之外的新科学群，这类科学，不是以往 科学那种可以局限于某种具体对象领域的科学， 其对象是抽象的系统及其内外的演化特性，这类 科学可以统称为“系统科学和复杂性科学”。 • 系统科学发展的三次高潮： 第一次：20世纪40年代的系统论、控制论和信 息论。 第二次：20世纪60-70年达的耗散结构论、协同 学、突变论和超循环论 第三次：20世纪90年代的混沌理论、分形理论 和复杂系统研究。
之中、确定性自己规定为不确定性。
2.系统自然观的基本内容
1）自然界不仅存在着，而且演化着 2）自然系统是确定性和随机性的统一
3）自然系统是简单性和复杂性的统一 4）自然系统是线性与非线性的统一
1）自然界不仅存在着，而且演化着
传统的自然科学都是“存在科学”（所描述的都是 可逆过程，表现为时间反演是对称的）。