1、第三讲第三讲 系统自然观系统自然观主要内容主要内容l第一节20世纪初的物理学革命及其思想方法特征l第二节辩证唯物主义的系统自然观现 代物理学革命及其思想方法特征物理学革命及其思想方法特征（20世纪初）l一、一、20世纪初的物理学革命世纪初的物理学革命l1.经典物理学空中的乌云l l2.三大发现l l3.相对论的新时空观l 爱因斯坦创立狭义相对论l 同时性的相对性l 长度收缩l 时间延缓l 质能关系式四维空间的时空间隔不变性l狭义相对论的意义:l 从根本上否定了牛顿的绝对时空观。l 揭示了时间和空间的统一性，证明时空存在着内在的、本质的联系。l 爱因斯坦创立广义相对论 三个可供验证的推论l 水星
2、轨道近日点的进动l 光谱线的引力频移l 光线在引力场中的偏转l启示：l广义相对论对引力场和空间特性的描述广义相对论对引力场和空间特性的描述 l空间弯曲空间弯曲 l广义相对论的时间观广义相对论的时间观爱因斯坦相对论的生动体现爱因斯坦相对论的生动体现爱因斯坦六大遗产从相对论到量子理论爱因斯坦六大遗产从相对论到量子理论l4.量子论与量子力学l量子力学的基本思想l 微观世界的量子性微观世界的量子性：l 微观客体的运动和转变是不连续的和突变的。l 微观客体的波粒二象性微观客体的波粒二象性：l 因此，微观粒子在任何给定时刻就不能同时有确定的位置和动量。l 微观世界规律的统计性微观世界规律的统计性l 我们无
3、法肯定地预言某个原子事件，我们只能预言它们发生的可能性。l二、现代物理学革命在思想方法上的突破二、现代物理学革命在思想方法上的突破l 1.相对论在时空观和物质观上的突破l 时空整体性l 时空实在性l 质能互换性l 场的实在性l2.量子力学对经典决定论的冲击l 或然性l3.对测量中主客体相互作用的揭示l 在微观领域，测量仪器与微观客体之间存在着相互作用。l 微观世界不可知？微观世界不可知？l l 1957年玻尔曾宣布放弃年玻尔曾宣布放弃“原则上不可控制性原则上不可控制性”的概念，而的概念，而且还承认：量子力学的完备描述完全客观，不以主体为转移，且还承认：量子力学的完备描述完全客观，不以主体为转移
4、，仪器的记录只能用于分析微观客体的性质。因此，不能因为在仪器的记录只能用于分析微观客体的性质。因此，不能因为在量子测量中存在着仪器对微观状态的量子测量中存在着仪器对微观状态的“干扰干扰”，就说量子测量，就说量子测量是主客体不可分割的统一。仪器作为主体的延伸，它与被测客是主客体不可分割的统一。仪器作为主体的延伸，它与被测客体的相互作用，并不构成人认识客观世界的障碍；不论对于宏体的相互作用，并不构成人认识客观世界的障碍；不论对于宏观世界，还是微观世界，都是如此。观世界，还是微观世界，都是如此。l4.唯理论与经验论的综合l5.互补原理和互补方法论第二节第二节 辩证唯物主义的系统自然观辩证唯物主义的系
5、统自然观l1、系统自然观的产生与基本内涵l2、自然界的系统存在l3、自然界的演化一、系统自然观的产生一、系统自然观的产生l三个和尚没水吃？l福特的汽车l木桶原理l20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。l控制论，cybernetics，来自希腊语，原意为掌舵术，包含了调节、操纵、管理、指挥、监督等多重含义。维纳：1948，控制论 目的：使系统良性运行 达到系统目的。手段：正反馈原理。l信息论：是研究信息的产生、获取、变换、传输、存储、处理识别及利用的学科，广义信息科学还涉及信息的编码与调制、信道的容量、噪声与滤波的理论、及语义信息、有效信息和模糊信息等内容。
6、l20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。l混沌理论l 是系统从有序突然变为无序状态的一种演化理论，是对确定性系统中出现的内在“随机过程”形成的途径、机制的研讨。l美国气象学家洛伦茨在2O世纪6O年代初研究天气预报中大气流动问题时，揭示出混沌现象具有不可预言性和对初始条件的极端敏感依赖性这两个基本特点，同时他还发现表面上看起来杂乱无章的混沌，仍然有某种条理性。系统自然观的基本内涵和思想系统自然观的基本内涵和思想l 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
7、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。l它最深层次、最基本的内涵，在于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。l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。二、二、自然界的系统存在自然界的系统存在l1、何谓“系统”？“处于一定的相互关系中并与环境发生关系的各
8、个组成部分（要素）的总体（总合）”“由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体。”l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。l系统有四层含义：l第一，系统由若干要素组成，要素是构成系统的基本单位。l第二，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，具有特定的结构。l第三，要素彼此之间联系成为一个统一的有机整体。l第四，系统具有特定的功能，并在系统诸要素的功能耦合中凸现出来。2、系统是自然界物质存在的普遍形式、系统是自然界物质存在的普遍形式 赫拉克利特的论自然：“世界是包括一切的整体。”德谟克利特的宇宙大系统 莱布尼茨：
9、宇宙是“预定和谐”的，“视规范为一种完满的秩序中的统一体系。”霍尔巴赫自然的体系：自然是“由不同的物质、不同的配合，以及我们在宇宙中所看到的不同的运动的组合而产生的一个大的整体。”19世纪，恩格斯明确指出系统是自世纪，恩格斯明确指出系统是自然界物质的存在方式。然界物质的存在方式。“我们所面对的整个自然界形成一个体系，即各种物体相互联系的总体，而我们在这里所说的物体，是指所有的物质存在，只要认识到宇宙是一个体系，是各种物体相互联系的整体，那就不能不得出这个结论来。”3、自然界物质存在的系统特性、自然界物质存在的系统特性l整体性l层次性l动态性l开放性l功能性l结构性l稳定性三、自然界的演化三、自
10、然界的演化l20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。l其基本观点是：自然的演化过程具有不可逆性；自然的进化是一个不断有序化和发生对称性破缺的过程，具有开放性、远离平衡态、非线性相互作用和涨落的自组织机制；自然界的循环发展具有无限性。l 自然界不仅是存在着，而且是生成着并消逝着。自然界是由一系列转化过程构成的“过程的集合体过程的集合体”，一切事物都有其产生发展灭亡的过程。这里以下面几个为例来说明l1 1、宇宙的起源与演化、宇宙的起源与演化l2 2、恒星的起源与演化、恒星的起源与演化l3 3、生命
11、的起源与进化、生命的起源与进化l4 4、人类的产生与发展、人类的产生与发展l道生一，一生二，l二生三，三生万物。l道者，无也。l 老子道德经 l这个模型是美国物理学家伽莫夫创立的。根据大爆炸宇宙论，宇宙的演化经历了以下几个阶段：1）、基本粒子形成阶段2）、辐射或核合成阶段3）、实物阶段l 从1948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出这样一部宇宙历史：大爆炸宇宙论（big-bang cosmology big-bang cosmology）：l大爆炸开始时 150200亿年前，极小体积，极高密度，极高温度。l大爆炸后10-43秒 宇宙从量子背景出现。l大爆炸
12、后10-35秒 同一场分解为强力、电力、弱力和引力。l大爆炸后10-5秒 10万亿度（1013 K K），质子和中子形成。l大爆炸后0.01秒 1000亿度（1011 K K），光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。l大爆炸后0.1秒后 300亿度（31010 K K），中子质子比从1.0下降到0.61。l大爆炸后1秒后 100亿度（1010 K K），中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。l大爆炸后13.8秒后 30亿度（3109 K K），氘、氦类稳定原子核（化学元素）形成。l大爆炸后35分钟后 3亿度（31
13、08 K K），核过程停止，尚不能形成中性原子。l大爆炸后30万年后 3000度（3103 K K），化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。1028 K K10-35 s s1013 K K10-6 s s1011 K K10-2 s s1s s108 K K3 分钟以后 3103 K K100万年10亿年100亿年101亿年120亿年138亿年140亿年109 K K4s s以后 爆涨 强子时代 轻子时代中子14质子86遗留大量的中子和质子核合成退耦代星系、恒星开始形成银河系、太阳系形成始生代原生代中生代智人基本
14、粒子形成阶段核合成阶段 实物阶段温度 时间 01032 K K10-43 s s 奇点真空场l宇宙的未来：l宇宙临界密度的估计值是：c c =4.710-27/m3 l若c c；震荡式或脉动式宇宙。l若c c；开放式宇宙l大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：1）、大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。2）、观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。3）、在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。4）、根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度约为3K。（彭齐亚斯、威尔逊）大爆炸理论中宇宙的演化历程大爆炸理论中宇宙的演化历程自然界演化的规律性l矛盾是自然界运动与演化的根本动力l自然界演化的渐变与突变的统一l自然界演化的周期性
