自然辩证法第2章 自然界的演化发展

开放系统与封闭系统
?开放系统：与环境进行物质、能量交
dQ
T
?熵的宏观意义表征系统能量分布的均
匀状态
?熵的微观意义表征系统内部粒子的无
序程度
?熵的信息学解释认为熵是系统无组织
程度的量度
△Q
M1
M2
T1>T2
△S1= - △ Q < 0 T1
△S2= △ Q > 0 T2
△S = △S1+△S2 = - △ Q + △ Q >0
T1
T2
?热力学第二定律：热量不可能 自
? 熵增（退化）意味着系统无序
程度的提高
? 负熵（与宏观意义的熵的反向
量度）的增加表征系统的进化
自然界演化的核心机制
自组织机制
什么是自组织（self-organization)？
?系统依靠自身的机制形成有
序结构的过程
?系统的要素通过相干协同，
而非通过外界特定干预形成特 定结构与功能的过程
?其实质在于系统内部组分的
?实现可逆过程必需包括两个基本
条件：
（1）过程进行时体系内部状态变化 应始终保持在 准静态过程
（2）对外界不留下任何影响
不可逆变化的特点
?过程与环境不能同时完全复
原 自发进行的变化，不可能自发 地回到原来的状态，而对外界 不发生任何影响
?时间对称性破缺
t
t
熵：系统演化的重要参数
熵（entropy ，能量的变异 ) s=∫
1、自然的演化发展是否周期性 的、可以回复的？
2、用什么来描述自然的演化方 向？
3、自然演化发展的过程机制是 什么？这一机制给予我们什么 启示？
1、自然的演化是否可以循环回复？
（1）“时间”箭头在描述自然 的演化中有什么意义？
（2）什么是不可逆变化？该过 程是否具有普遍性？
牛顿方程： F = m d2x dt2
时间反演下，方程发生变化
(2) 不可逆变化
运动 变化
可逆变化 (reversible ） 不可逆变化 （irreversible)
（演化）
- 时间反演变换 ： t → -t
可逆过程与不可逆过程
热力学系统由某一状态出发，经过某 一过程到达另一状态后它能使系统和 外界完全复原，如果存在另一过程，， 即，使系统回到原来状态，同时又完 全消除原来过程对外界所产生的一切 影响，则原来的过程称为可逆过程。
为系统内部的不可逆过程引起
Hale Waihona Puke Baidu的熵变化率，叫做熵产生
? des 为系统与外界交换物质和能量
dt
引起的熵变化率，称熵流
?当系统从外界获得的负熵流大于系统
内部的熵产生时： des dis
ds0 0
dt dt
dt
系统的开放使之能够借助外部环境输 入的负熵克服、抵消系统内部的熵增， 从而提供了进化/发展的可能
一个生命有机体在不断地增加它的 熵——你或者可以说在增加正熵 — 并趋于接近最大熵值的危险状态， 那就是死亡，要摆脱死亡，就是说 要活着，唯一的办法是从环境中不 断吸取负熵，‘有机体是依赖负熵 为生的 '，这就是生命的热力学 基础。
?开放系统的总熵变为：ds = des + dis
? dis
dt
ds d es dis dt dt dt
反之，如果无论采用何种办法都不能 使系统和外界完全复原，则原来的过 程称为不可逆过程。
可逆过程
- 一个无摩擦力、无耗散的准静态
过程称为 可逆过程
- 在可逆过程中，体系从始态变到
终态，再从终态回到始态， 体系 和环境都能恢复原状
自然界是否存在真正意义上 的可逆过程？
在昼夜温差较大的我国北方冬季， 白天缸里的冰融化成水，而夜里 同样缸里的水又凝固成冰。因此， 这是一个可逆过程。你认为这种 说法对吗？为什么 ?
什么是序？
? 序：体现为系统元素之间的关
系确定
? 有序：系统诸要素和系统之间
在时间、空间、结构、功能上有 规则的联系与转化
? 无序 ? 有序与无序是相对的
进化与退化
? 进化是指事物从无序到有序的 不可逆过程，或复杂性和多样 性的增长过程
? 进化与退化是系统演化的两个
重要方向
进化标准的判定
? 自然系统进化的标准：系统 内部及其对环境的反应能力
时间 t 只是一个外在的几何参数， 没有方向，过去与未来是对称的
“对我们这些信 念坚定的物理 学家来说，过 去、现在与未 来之间的差别 只是一种幻觉， 虽然是一种长 久不变的幻 觉。”
Fourier 方程与 Fick 方程
dT =λ▽2T dt
dT = -λ▽2T dt
dC = D▽2C dt
dC = - D▽2C dt
- 平衡态：系统宏观参量无差别状态 - 近平衡态（线性平衡态）：
系统状态参量仅有微小差异的状态
- 远离平衡态 （进入非线性区）
系统状态参量之间存在着最大或较 大差异
熵增与进化
?演化是一种具有不可逆性的
运动形态
?一切不可逆过程都是向着熵
增加的方向进行
?熵增意味着系统无序程度的
提高
薛定谔在《生命是什么 ?》中指出：
第2章 自然界的演化发展 2.1 自然界演化的科学图景 2.3 自然界演化的机制和条件
关键词：不可逆性 自组织性
2.1 自然界演化的科学图景
? 何谓“自然演化具有历史性”？ I. 自然处于发展变动之中，而非
一成不变
II.自然界的发展具有时序性、
指向性
III.自然的演化过程具有规律性
自然是如何演化发展的？
相干与协同
?他组织
系统的要素按照特定指令而形 成特定结构与功能的过程
其实质在于执行指令
自然演化的自组织机制
1、开放是系统进化的先决条件 2、非平衡是有序之源 3、系统进化的内在根据 :非线性机
制 4、系统进化的直接诱因：随机 涨
落
系统的三种状态
?平衡态 ?近平衡态 ?远离平衡态
系统的三种状态
? 非自然系统进化的标准：系
统的功能及其满足人类目的的 程度
? 进化与退化的关系
- 相互包含 - 同存共生 - 相互交替
序（进化）的度量
1、对称性与序 对称操作越多或对称元素增多 （越对称），就越无序
2、熵与序 系统的熵增加则有序程度降低 （走向无序），熵减则走向有序
- 从进化的时间箭头上来看：
动地从较冷的物体转移到较热的 物体（克劳修斯）
?熵的增加表明系统中存在着 自发
不可逆的过程
2、自然界的演化方向
? 演化（evolution)
－是一种具有不可逆性的运动 形态 －系统的结构、特性行为、功 能等随着时间的推移而发生的 变化，称为系统的演化
用什么来描述自然的演化方向？
? 序 有序
无序
? 进化与退化