自然辩证法-第二章现代科学技术和自然观的发展

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。
第二章 现代科学技术 和自然观的发展
19世纪末20世纪初，物理学出 现三大新发现和两个问题，彻 底地变革了科学的自然图景， 推动自然科学进入现代自然科 学发展的新阶段。
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
19世纪末物理学三大发现

X射线的发现：真空管阴极射线，伦琴 1895年11月8日，发现了新的射线。它 具有极强的穿透力。
真量 实子 世力 界学 的究 完竟 备是 理否 论是 ？描 述
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。
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。
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。科技史 328
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。
Байду номын сангаас
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。
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。

爱因斯坦和玻尔关于量子力学原理的争论， 使人们认识到：不带成见和偏见的真正而 健康的学术争论和争鸣是推动和促进科学 发展进步的重要方法和途径之一。

这场争论的结果是物理学家们对量子理论 的深入探讨和研究，形成了量子通信、量 子计算、量子密码、量子测量的研究热潮。 在量子力学的新应用中，最引人注目的是 信息科学，量子信息科学充分应用量子的 特性，如，量子相干、量子纠缠来实现信 息处理，是对信息理论的革命性的突破。
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
自然界的层次结构
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。
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。
2.量子力学

1927年矩阵力学和波动力学被证实二者是等价的，后称“量子力学”。
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。（科技史338）
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。

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.
这些新发现动摇了物质不灭性、能
量的守恒性、原子和元素不可分性 和不变性、是物质组成最小单位、 时间和空间的绝对性、运动的连续 性等等形而上学的观念。
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。

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。

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。
贝克勒尔出生在研究荧光的世家。铀的 放射性。居里夫人，放射性一词的首次 提出。 电子的发现揭示阴极射线的本质。它比 原子更小，是一切化学原子的共同成分。


这些放射性元素的新发现是否意味
着元素是可变的？能量还守恒吗？
电子的发现打破了原子是构成物质
的最小单位的观念。标志着人们对 物质结构的认识到了一个新的阶段。
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。
爱因斯坦相对论的生动体现
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。

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。
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。
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）