第2讲自然科学视界中的自然界图景

第二讲自然科学视界中的自然界图景自然界的系统性自然界的不可逆性自然界的复杂性特征案例思考在古代有一个国王，他要求全国的画师给他画一张优美的画像，如果画不出，就一天杀死一个画师。这样一来，每一个画师人人自危，为什么？其原因在于国王的一只眼睛、一只胳膊、一条腿都有残疾，怎么画？你能有一个好的方法吗？一、自然界的系统性（一）系统的特点系统含义：系统是“处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各组成部分的总体”。特点：1)任何系统都有要素（性能、数量、种类、关系）。2）各种要素通过相互关系结合成一定结构。3）具有结构的系统处在一定的环境中。4）任何系统都具有功能。小螺丝毁掉大公司2010年7月2日，摩尔多瓦共和国“汽车大王”格尔德·波恩宣布：旗下的克莱斯勒汽车公司破产！1994年，从事汽车制造业30多年的格尔德购买了美国克莱斯勒汽车的制造技术，谈判时，精明的格尔德对克莱斯勒汽车进行了拆解，最终认为其中的一颗通用型螺丝完全不需要美国技术支持，在自己国内生产不成问题，这样可以省下一笔转让费。虽然投产后开始市场反应不错，但很快他生产的汽车故障率极高，因为一颗螺丝松动而引起的方向盘掉落、轮胎飞离等故障和车祸就占了问题汽车的80%。克莱斯勒能成为汽车三大巨头之一，与每一颗螺丝的精湛技术和检测标准相关，如一颗M6螺杆，外径在5.974—5.978毫米之间，同时对内径、牙距、材质、表面处理等指标都有非常明确和严格的规定；可是摩尔多瓦虽然生产螺丝的工厂众多，但没有哪个型号不含次品，所有人都认为只要螺丝能拧上去就行了，对于那些“相差不能超过0.004毫米”的规定，或者闻所未闻，或者不屑一顾。最后，当一笔笔赔偿单摆在格尔德面前时，他无力回天，宣布破产。这就是文科和理科的差别水旱从人，不知饥馑，时无荒年，谓之天府（二）整体和部分的关系加和性，即1+1=2。非加和性，即1+12。整体和部分相互约束。整体中部分不等于孤立状态下的部分。不同整体中的同一部分有不同特性或功能。二、自然界演化的不可逆性“我们正越来越多地觉察到这样的事实,即在所有的层次上,从基本粒子到宇宙学,随机性和不可逆性起着越来越大的作用。”—《从混沌到有序》P26“我们发现我们自己处在一个可逆性和决定性只适用十分有限的简单情况,而不可逆性和随机性却占据统治地位的世界之中。”—《从混沌到有序》P40普里高津二、自然界演化的不可逆性（一）三种时间观：牛顿不变时间观热力学退化时间观达尔文进化时间观（二）两种冲突：可逆与不可逆冲突进化与退化冲突（三）耗散结构理论解决了进化与退化的矛盾二、自然界演化的不可逆性1.开放系统：与环境交换物质、能量、信息的系统。系统熵变公式：ds=dis+des,其中，ds表示系统的总熵；dis表示系统内部所产生的熵，叫做熵产生，根据热力学第二定律dis0；des表示系统与环境交换的熵，叫做熵流，可正可负。系统状态分析图表第一种情况孤立系统当des=0时，ds=dis0无序第二种情况开放系统当des0时,ds=dis+des0无序第三种情况开放系统当des0时且|des|dis时，ds=dis+des0无序第四种情况开放系统当des0时,且|des|＝dis时，ds＝0宏观结构不变第五种情况开放系统当des0时,且|des|dis时，ds=dis+des0有序二、自然界演化的不可逆性2.远离平衡态：平衡态处处均匀，无序；近平衡态有一定的差异，最终会趋向无序；趋使系统远离平衡状态依靠开放及内在因素。非平衡是有序之源非平衡需要对系统进行强约束二、自然界演化的不可逆性3.正反馈：起着放大系统内部差异的作用4.非线性作用恩格斯：“相互作用是事物的真正的终极原因”相互作用有线性和非线性之分，应该说非线性是事物存在和发展的终极原因普里高津：“对于耗散结构所必须的另一个基本特征是在系统的各个元素中存在着一种非线性机制。”非线性三个特点：相干性、非加和性、多重选择性线性特点：独立性、叠加性、单一性歧路亡羊杨子之邻人亡羊,既率其党;又请杨子之竖追之.杨子曰:嘻!亡一羊,何追者之众邻人曰:多歧路.既反,问:获羊乎曰:亡之矣.曰:奚亡之曰:歧路之中又有歧焉,吾不知所之,所以反也.《列子·说符》二、自然界演化的不可逆性5.巨涨落孤立系统和开放系统中的涨落其表现不同：孤立系统—忽略不计，开放系统—巨涨落。分叉点上系统有序结构的重新形成取决于在外部环境影响下系统内部快速增长的巨涨落。涨落导致有序（普利高津）意义：不可逆性在自然界系统的演化中具有建设性作用伦敦上空的云街牛津上空的云街三、自然界的复杂性特征（一）整体性和还原性的统一（二）有序和无序的统一（三）确定性和不确定性的统一（四）可逆性和不可逆性的统一（五）竞争性和协同性的统一（六）简单性和复杂性的统一三个“妖精”案例从纵向揭示了自然界怎样的图景？拉普拉斯妖：1814年，拉普拉斯（Laplace）在其《概率的哲学短论》中作了如下表述：“我们应当把宇宙的现在状态看作是它先前状态的效果，随后状态的原因。暂时设想有一位神灵，它能够知道某一瞬间施加于自然界的所有作用力以及自然界所有组成物各自的位置，并且它能够十分广泛地分析这些数据，那么，它就可以把宇宙中最重物体的运动和最轻的原子运动，均纳入同一公式之中。对于它，再没有什么事物是不确定的，未来和过去一样，均呈现在它的眼前。”这种能够预知事物某一时刻确定状况的“神灵”被称为“拉普拉斯妖”。克劳修斯妖克劳修斯妖（熵妖）：1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯(Clausius)提出了热力学第二定律：“热量总是从高温物体传到低温物体，不能作相反的传递且不带有其他的变化”1865年，克劳修斯又提出了“熵”的概念，并相应地把热力学第二定律表述为“熵增原理”：“在孤立系统内实际发生的过程，总使整个系统熵的数值增大”由于克劳修斯只是指出了熵增现象，而没有对某一物理系统所具有熵之作出具体的规定，从而使其熵的概念具有了某种神秘性和猜测性的色彩，据此学术界也有把熵比喻性的称为“克劳修斯妖”或“熵妖”。麦克斯韦妖麦克斯韦妖：1871年，，麦克斯韦(Maxwell)在它的《热的理论》一书中假象有这样一个神通广大的“妖精”，它能跟踪充满容器的每个气体分子的运动。把这个容器用一道隔板分为A、B两部分，并在隔板上安装一个阀门，当阀门打开时单个气体分子可以从容器的一部分经过阀门进入另一部分去。假设这个容器起先完全充满了一定温度的气体，按照热的动力论，一定的温度对应于一定的平均速度。因为气体分子运动具有随机性质，有的分子的速度大于平均值，有的则小于平均值。那么，通过在适当时刻打开隔板上的阀门，妖精就能让快的分子从A进入B，慢的分子从B进入A，结果不须消耗能量，B部分的温度就上升，A部分的温度就下降。整个容器或者系统正是在这个“妖精”的作用下从原来的混合均匀无序状态实现向非均匀、非对称的有序状态转化。第一场辩论名单正方：第12组辩题：当今社会，自然科学比人文社会科学更重要（正题）组员：金鑫（组长）徐佳敏屈肖迪陈秀秀余森彬刘鹏飞反方：第15组辩题：当今社会，人文社会科学比自然科学更重要（反题）组员：罗沁澜（组长）周陇焦玉龙李康田超王珠妙第二场辩论名单正方：第13组辩题：当今社会，自然科学比人文社会科学更重要（正题）组员：任俊衡（组长）赵伟张凯王乐杜兵李玫反方：第16组辩题：当今社会，人文社会科学比自然科学更重要（反题）组员：熊晓菲张汇丁文杰邓阳斌（组长）李涛刘建伟