物質(zhì)系統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)

物質(zhì)系統(tǒng)的層級結(jié)構(gòu)第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日

理解復雜系統(tǒng)的基本方式

一個較為復雜的系統(tǒng)都是按層次結(jié)構(gòu)組織起來的，即每個物質(zhì)系統(tǒng)都是較高一級系統(tǒng)的一個要素，同時它作為較高一級系統(tǒng)的要素本身，通常又是較低一級的系統(tǒng)，這樣便形成了自然界物質(zhì)系統(tǒng)的層次性（如下圖）。第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日總星系星系團星系恒星行星地面上的宏觀物體分子原子原子核（基本）粒子夸克非生命世界物質(zhì)系統(tǒng)的層次宇觀宏觀微觀第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日生物圈生態(tài)系統(tǒng)生物群落種群生物個體系統(tǒng)器官組織細胞生物大分子生命世界的基本物質(zhì)系統(tǒng)層次第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日(一)層次結(jié)構(gòu)的基本特征層次結(jié)構(gòu)指的是，若干要素經(jīng)相互作用構(gòu)成的系統(tǒng)，再通過新的相互作用而構(gòu)成新系統(tǒng)的逐級構(gòu)成的結(jié)構(gòu)關(guān)系。在這種關(guān)系中，參與構(gòu)成的系統(tǒng)稱為低層系統(tǒng)，構(gòu)成后的新系統(tǒng)稱為高層系統(tǒng)。第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日

1、構(gòu)成性：由下而上逐級構(gòu)成層次結(jié)構(gòu)的一個顯著特征是，低層系統(tǒng)對高層系統(tǒng)具有構(gòu)成關(guān)系：低層系統(tǒng)必須是高層系統(tǒng)的構(gòu)成部分，而高層系統(tǒng)也只能以低層系統(tǒng)為存在基礎。層次結(jié)構(gòu)中的構(gòu)成性關(guān)系是物質(zhì)系統(tǒng)之間的縱向的或垂直的有序關(guān)系，即子系統(tǒng)與母系統(tǒng)、各個子系統(tǒng)之間的相互包含和相互作用，它反映出不同層次之間是相互依存的。

多極構(gòu)成、多級環(huán)境、多級功能第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日2、相干性：層層相干，層層有新質(zhì)突現(xiàn)

層次結(jié)構(gòu)中的相干性關(guān)系是物質(zhì)系統(tǒng)間的橫向關(guān)系。處于同一層的子系統(tǒng)之間相互限制、相互協(xié)同。只有通過相干性關(guān)系，它們才能結(jié)合起來構(gòu)成高一級系統(tǒng)，導致縱向?qū)哟伍g質(zhì)的差異。第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日2、相干性：層層相干，層層有新質(zhì)突現(xiàn)隨著每一個新物質(zhì)層次的形成，總會有新質(zhì)的突現(xiàn)和新功能的問世。層級的增加以結(jié)構(gòu)的簡化為代價，為底層系統(tǒng)并入高層系統(tǒng)的活動模式創(chuàng)造條件。理解復雜現(xiàn)象

逐級構(gòu)成，逐級遞進；逐級相干，逐級集約（依賴于層級結(jié)構(gòu)中結(jié)合度逐級遞減）第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日

(二)層次結(jié)構(gòu)的結(jié)合度

1、結(jié)合度極其遞減趨勢結(jié)合度：泛指相互作用的強度，可以用勢能、結(jié)合能、鍵合力、信息量加以計量。

交換物質(zhì)能量---空間臨近程度交換信息----壓縮時空

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一般隨著層次由低向高推進，結(jié)合的緊密程度由大到小而遞減：從將夸克結(jié)合為基本粒子的力量到將中子和質(zhì)子結(jié)合為原子核的核交換力；從將原子核與電子結(jié)合的電磁力到將原子結(jié)合為分子的共價鍵或離子鍵；從將化學分子結(jié)合為生命大分子到將多細胞結(jié)合為生命整體；直至維持生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的力量，不但具有巨大的強弱差異，而且是依次遞減的。第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日2、結(jié)合度遞減的存在論意義層級結(jié)構(gòu)存在的必要條件

只有結(jié)合度遞減，下層子系統(tǒng)才會以單體穩(wěn)定的方式發(fā)生相干效應，從而造成上層系統(tǒng)的出現(xiàn)。上層系統(tǒng)穩(wěn)定存在的范圍較下層系統(tǒng)狹小低層系統(tǒng)在宇宙中的分布遠遠超過高層系統(tǒng)。第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日3、結(jié)合度遞減的進化論意義復雜物質(zhì)形態(tài)大多是在穩(wěn)定低層系統(tǒng)的基礎上經(jīng)過聚合方式產(chǎn)生的。選擇聚合方向，提供聚合“原料”，加快聚合速度高層系統(tǒng)解體，低層子系統(tǒng)的穩(wěn)定性依然存在進化速度快，成功幾率高

（組合式家具，拆分拼裝）層級結(jié)構(gòu)普遍存在；多層級的層級結(jié)構(gòu)罕見

第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日（三）層級結(jié)構(gòu)中的信息流信息及其逐級集約信息逐級集約與行為逐級控制信息逐級集約與問題逐級簡化第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日信息及其逐級集約

信息申農(nóng)：狹義的信息消除認識上的不確定性維納：控制論角度組織性的量度負熵普里戈金：（廣義的信息）相干性對環(huán)境的適應第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日信息論的創(chuàng)始人：數(shù)學家申農(nóng)1948年，《貝爾系統(tǒng)技術(shù)雜志》發(fā)表申農(nóng)的論文《通訊的數(shù)學原理》奠定了現(xiàn)代信息論的基礎。由于控制論，電子計算機和通信技術(shù)的相互結(jié)合，信息論正在獲得迅速的發(fā)展。特別是信息論與生物化學、分子生物學、計量社會學和計量心理學等領(lǐng)域相結(jié)合，使信息論成為現(xiàn)代科學問題的有力武器。第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日信息論的創(chuàng)始人：數(shù)學家申農(nóng)申農(nóng)認為，信息論的基本內(nèi)容，就是研究信源、信宿、信道和編碼問題，他對信息論的貢獻很多，主要有五點：一是他第一次從理論上闡明了通訊的基本問題，提出了通訊系統(tǒng)的模型；二是提出了度量信息量的數(shù)學公式；三是初步解決了如何從信息接受端提取信息源發(fā)來的消息的技術(shù)問題；四是提出了如何充分利用信道的信息容量，如何在有限的信道中以最大的速率傳遞最大的信息量的基本途徑；五是初步解決了如何編、譯才能使信源的信息充分表達、信道的容量被充分利用的問題。第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日逐級集約子系統(tǒng)之間的聯(lián)系相對微弱進入上層的信息是集約了的信息，是與整體有關(guān)的信息，而不包括僅與子系統(tǒng)內(nèi)部活動有關(guān)的信息。高層系統(tǒng)形成所需要的信息條件不比底層系統(tǒng)嚴格，反而較為寬松，也較易滿足。物質(zhì)+能量+較少的信息=聚合高層系統(tǒng)第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日信息逐級集約與行為逐級控制

信息的逐級集約------逐級控制控制等級每個子系統(tǒng)獨立消除內(nèi)部行為的不確定性子系統(tǒng)之間關(guān)系不確定性的消除控制方式：集中控制整體優(yōu)化時滯長成本高應變差分散控制整體協(xié)調(diào)差反映及時靈活遞階控制取長補短第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日信息逐級集約與問題逐級簡化

“黑箱化”把下層子系統(tǒng)的特征簡化為內(nèi)部約束條件把上層系統(tǒng)的制約簡化為外部環(huán)境條件第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日在神經(jīng)心理學之前研究認識過程西蒙信息集約化內(nèi)部參數(shù)（內(nèi)部約束條件：黑箱）短時記憶容量短時記憶進入長時記憶的固結(jié)時間（5-8秒/塊）記憶的組織形式第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日如何解釋短時記憶容量有限1956年，美國心理學家GeorgeA.Miller明確提出，短時記憶容量為7±2個組塊。當外界信息通過感官進入記憶系統(tǒng)中的短時貯存系統(tǒng)時需要對信息進行有意識的處理。實驗表明：短時記憶貯存系統(tǒng)一般接收7+2個單位的量。這個單位被稱為“chunk”，即組塊，它既可是單個字，也可以是詞、詞組，甚至是句子。第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日如何解釋短時記憶容量有限心理學家通過實驗得出結(jié)論：改變組塊的容量可以增加記憶容量。如果出示一級無關(guān)的漢字，學生大約能記住5、6個字，如果對漢字加以重組形成詞，那么學生可以記住5、6個詞，其中漢字的字數(shù)已超過5、6個了。因此要擴大短時記憶的容量，比如如果要增加閱讀速度，就應該以詞組或短語、句子為單位閱讀。第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日如何解釋短時記憶容量有限如何解釋短時記憶容量有限這一短時記憶的特點呢？

1.Waugh、Norman和Atkinson等傾向于從貯存空間及其有限的槽道來說明。

2.Baddeley等(1975)認為短時記憶的容量取決于人在2秒鐘內(nèi)能夠復述的信息的數(shù)量。

3.Klatzky(1975)木匠工作臺原理。木匠工作臺既要放料又要工作，二者必然存在一個權(quán)衡關(guān)系，短時記也是如此，它既要貯存，又要加工，實際上是一個工作記憶。第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日短時記憶信息緩沖原理

短時記憶由若干槽道構(gòu)成。每一個槽道相當于一個信息通道。來自感覺記憶的信息單元分別進入不同的槽道。緩沖器的復述性加工有選擇地將槽道中的信息進行復述。被復述的槽道中的信息將進入長時記憶中。而沒有被復述的槽道中的信息將被清除出短時貯存區(qū)而喪失。

各槽道中的信息保持的時間是不一樣的。信息在槽道中保持的時間越長，越有可能進入長時記憶中，也越有可能被來自感覺記憶的新的信息沖擠掉。

相對而言，長時記憶才是一個真正的信息貯存庫，但其中的信息也有可能因消退、干擾和強度喪失等原因而產(chǎn)生遺忘。

第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日

(四)層級間的因果鏈

因果鏈：因果關(guān)系的傳遞方式。長程鏈、復合鏈、反饋鏈

層次結(jié)構(gòu)中存在著雙向因果鏈：

其一，低層系統(tǒng)及其相干性關(guān)系作為原因，可以在高層系統(tǒng)中引起一定的結(jié)果，決定高層系統(tǒng)的特點和規(guī)律，此乃其上向因果鏈。第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日

其二，高層系統(tǒng)對低層系統(tǒng)的支配、影響和限制，這是其下向因果鏈。上向因果鏈的存在，提供了從低層次規(guī)律入手認識高層次現(xiàn)象的可能性；下向因果鏈的存在，則保證了從高層次規(guī)律出發(fā)對加入高層系統(tǒng)的低層現(xiàn)象進行解釋和預言的可能性。第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日上向因果鏈與遞進性解釋遞進性解釋從低層系統(tǒng)的規(guī)律出發(fā)，考慮低層系統(tǒng)過渡到高層系統(tǒng)的相干條件以及環(huán)境因素，對高層系統(tǒng)的行為特征作出遞進性解釋。邏輯要素低層規(guī)律低層過渡到高層的相干條件環(huán)境陳述第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日低層過渡到高層的相干條件化學鍵：元素化合物DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)：有機小分子生命大分子超循環(huán)理論：生命大分子生命第30頁，共32頁，2023年，2月20日，星期日下向因果鏈與