自然界的系統(tǒng)演化

自然界的系統(tǒng)演化第1頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月2存在物理學與演化物理學存在物理學：時間是從外部描述運動的一個參量，它的變化并不影響運動的性質(zhì)，因而也無法從運動性質(zhì)來判別時間。如牛頓力學、相對論、量子力學F=md2r/dt2把t–t，方程形式不變，對時間反演對稱，意味時間無方向性第2頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月演化物理學：時間不再是描述系統(tǒng)運動的外在參量，而是和系統(tǒng)的演化相聯(lián)系的，從而是有物理內(nèi)容的時間。熱力學中的傅立葉方程?T(x?t)?t=-λ?2T(x?t)?x2把t–t，方程形式變化，時間反演不對稱或?qū)ΨQ性破缺，意味時間方向性第3頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）自然界演化的方向性：進化或退化1概念進化一般是指物質(zhì)客體演化中由無序到有序、由低序到高序的趨勢和過程。退化—般是指物質(zhì)客體演化中由有序到無序、由高序到低序的趨勢和過程。序是對系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的聯(lián)系及演化過程性質(zhì)的描述，它表征著系統(tǒng)的組織程度。度量參量：熵、序參量、信息量

第4頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月并非所有有序程度提高的過程都能稱為進化。有兩種變化方式，一種變化是預(yù)先編好程序的，譬如象胚胎在母體子宮內(nèi)的演變和生長，另外—種類型的變化是創(chuàng)造性的推進”，它標志著真正的進化。第5頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學對演化過程的揭示：卡諾在研究蒸汽機效率時發(fā)現(xiàn)，從一定的熱量能做的功有一個上限，這個上限取決于兩熱源之間的溫度差。提出卡諾原理：溫度均衡過程必導(dǎo)致做功可能性的喪失2科學理論對時間箭頭指向的回答第6頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力學第二定律：湯姆遜：不能從單一熱源取熱全部轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其它影響。克勞修斯：熱不可能從低溫物體流向高溫物體而不產(chǎn)生其它影響第7頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月用熵表述為：一個孤立系統(tǒng)的熵總趨于增大（熵增定律）熵：本義是表征系統(tǒng)的狀態(tài)宏觀意義表征系統(tǒng)能量分布的均勻程度（能量平均狀態(tài)是熵值達到最大的狀態(tài)）微觀意義表征系統(tǒng)內(nèi)部粒子的無序程度第8頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月考察熱力學能量從有效到無效狀態(tài)的轉(zhuǎn)化從較高集中程度向較低集中程度的轉(zhuǎn)化從有序狀態(tài)向無序狀態(tài)的轉(zhuǎn)變熵理論在物理學中第一次真正觸及到自然界發(fā)展的不可逆性問題第9頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月熵理論運用于整個宇宙，提出以熵理論為基礎(chǔ)的宇宙理論。赫爾姆霍茲提出宇宙熱寂說：宇宙不斷變冷（或熱），所有有用的能量最后都轉(zhuǎn)化為熱，宇宙最終要處于溫度均勻的狀態(tài)，所有的自然過程都將停止。宇宙熱的總變化總是沿正向變化而趨于熱平衡和熵增至極大值，在達到平衡態(tài)后，熱量在自然狀態(tài)中無法再轉(zhuǎn)化為能量的其他形式宇宙的熱寂相當于永恒的寧靜。一旦宇宙達到熱寂，宇宙將呈現(xiàn)一幅慘淡的景象第10頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月能量在那里還是有的，但它已經(jīng)喪失了它全部的轉(zhuǎn)化能力，它已經(jīng)不能迫使宇宙工作，·······我們將停留在死寂的但可能是溫暖的宇宙中?！偹乖谝粋€非常真實的意義上，我們都是這個在劫難逃的星球上的失事船只中的旅客。---------------維納第11頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月生物進化論的演化方向：從簡單到復(fù)雜對熱力學第二定律與生物進化論的矛盾的解決

麥克斯韋妖的提出試圖解決兩者的矛盾齊拉德證明妖是一個有智力的存在物，妖的能力的獲得涉及信息的交換、傳遞和熵的變化提出負熵的概念薛定諤：一個開放系統(tǒng)，能夠不斷的從外界獲得并積累能量，即能產(chǎn)生負熵。有機體如此第12頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

dS=deS+diS式中，deS稱熵流，可為正，也可為負，也可為零，diS是內(nèi)部的熵產(chǎn)生，這部分絕對不會為負，即diS≥0。孤立系統(tǒng)des﹦0，ds﹦dis＞0，熵增封閉系統(tǒng)des0，ds＞0，熵增開放系統(tǒng)des＜0，且︳des︳﹥dis，則ds＜0熵減耗散結(jié)構(gòu)理論第13頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月在與環(huán)境的交換中，通過自組織形成耗散結(jié)構(gòu)，即遠離平衡的非線性區(qū)形成的，并且以能量的耗散來維持自身穩(wěn)定性的，不以外界的微小擾動而消失的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)。如貝納德花紋化學鐘化學波（羅索夫-扎鮑廷斯基反應(yīng)）在自然界中進化和退化這兩種演化方向都存在它們都具有一定的普遍性，但都不是唯一普適的現(xiàn)象。耗散結(jié)構(gòu)理論：揭示前兩種理論的一致性第14頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月混沌學：從混沌能產(chǎn)生有序，其根據(jù)在于混沌內(nèi)部質(zhì)的規(guī)定性通過對遠離平衡現(xiàn)象進一步研究發(fā)現(xiàn)，當系統(tǒng)進入到高級分支時，將出現(xiàn)越來越多的震蕩，最終引起巨漲落而產(chǎn)生混沌現(xiàn)象；還有研究表明在離平衡足夠遠時，混沌態(tài)和有序耗散結(jié)構(gòu)還可以交替出現(xiàn)，由此推測有序態(tài)可能是熱平衡的無序和混沌態(tài)的無序之間的一種狀態(tài)第17頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月混沌的定義包含有序的特殊狀態(tài)宏觀無序無律、微觀有序有律的狀態(tài)與規(guī)則運動相對的行為第18頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月特性a對初始條件的敏感依賴性蝴蝶效應(yīng)：具有不同初始條件的系統(tǒng)之行為，無論如何相似，總是隨時間的推移呈指數(shù)分叉b服從確定性方程，具有內(nèi)在的隨機性不確定行為不是來源于外界環(huán)境的隨機因素對系統(tǒng)運動的影響，而是系統(tǒng)自發(fā)產(chǎn)生的。c具有無窮嵌套的自相似性第19頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月分形如科赫雪花曲線這個可轉(zhuǎn)化為一個現(xiàn)實問題：芒得勃羅提出的英國海岸線有多長？無限長第20頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月分形自相似遍布于生物體。如支氣管樹心臟的跳動也遵從分形的節(jié)律，每一次跳動基本與上一次相同，但是永遠不會完全一樣。心動時間的正常分形標度的破壞，可以從兩方面導(dǎo)致病變。如果心跳與戶籍變得高度周期化，就可能導(dǎo)致充血性心臟停搏。另一方面，此節(jié)律也不能非太周期，否則會引起心臟纖維性顫動。因此心臟的正常節(jié)律在秩序與混沌的疆土之間來回振蕩?！案黝愊到y(tǒng)中缺乏生理多變性似乎標志著衰老過程?！钡?1頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月通向混沌的道路倍周期分岔道路Xn+1=BXn(1–Xn）種群量用01之間的變數(shù)表示Xn代表最大可能的種群量即100%B<1時，即使種群量很大，最終集群走向滅亡B>1時，當種群量比較大時，種群量從一開始就要下降，當種群量比較小時，種群量就增加，最后都到定態(tài)值2/3處B=3.0時，種群量繞兩個值震蕩第22頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月B=3.4495時，分岔產(chǎn)生圍繞四個不同值的種群的震蕩B=3.56，震蕩再次不穩(wěn)定，分岔成8支B=3.569,16支B=3.569999,不同吸引子的數(shù)目達到無窮間歇混沌如網(wǎng)絡(luò)計算機會出現(xiàn)奇怪的、不可預(yù)測的行為間歇現(xiàn)象有兩種表現(xiàn)，可以把它視為隨機海洋中的秩序小島，或視為秩序之廣播被隨機切入的嘶嘶聲所打斷。第23頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月茹勒-泰肯道路通向混沌(三體相互作用)龐加培:大多數(shù)二體運動軌道由于第三體的影響,即使在很小的擾動下某些軌道也漂浮不定.KAM定律滿足1第三行星的擾動的影響不大于澳大利亞的一只蒼蠅的吸引力2相關(guān)行星的行星“年”不具有簡單的比率太陽系不會解體第24頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月3進化和退化的統(tǒng)一性

進化與退化相互包含以進化為主的過程往往內(nèi)在地包含著退化。同樣，以退化為主的過程也常常內(nèi)在地包含著進化。進化與退化同存共生進化與退化常常是同時存在和同步發(fā)生的。它們往往是一個過程的兩個方面。第25頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月?進化與退化的相互交替進化與退化往往是交替進行相互轉(zhuǎn)化的。進化過程在一定條件下會轉(zhuǎn)入退化。退化過程在一定條件下也可以轉(zhuǎn)入進化。

第26頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月孤子或孤波1834年8月蘇格蘭工程師約翰·司科特·羅素正沿著愛丁堡附近的尤寧運河騎馬，“我正在觀察一條船的運動，這條船沿著狹窄的河道由兩匹馬快速的拽進。當船突然停下來時，河道中被推動的水團并未停止，它聚集在船首周圍，劇烈翻騰。然后，呈現(xiàn)滾圓光滑、輪廓分明、巨大的、孤立聳起的水蜂，突然，以很快的速度離開傳首，滾滾向前。這個水峰沿著河道繼續(xù)向前行進，形態(tài)不變，速度不減。我策馬追蹤，趕上了它。它仍以每小時八九英里的速度滾滾向前，同時仍保持著長約三十英尺、高約一到一點無英尺的原始形狀。它的高度漸漸下降。我追逐了一兩英里后，在河道的拐彎處，被它甩掉了。第27頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月世界圖景的多元格局無時間性圖景有時間性圖景向高熵發(fā)展向低熵發(fā)展第28頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）自組織中的相干性和協(xié)同性

非平衡自組織理論關(guān)于系統(tǒng)走向有序即系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)的根據(jù)和條件的論述，對于理解一般進化的條件是極有意義的耗散結(jié)構(gòu)理論思路:A首先考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即系統(tǒng)在什么狀態(tài)下是穩(wěn)定的，什么狀態(tài)下不穩(wěn)定穩(wěn)定性同系統(tǒng)所處的狀態(tài)，所具有的抗干擾能力相聯(lián)系，抗擾動力越強，系統(tǒng)愈穩(wěn)定

第29頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月B平衡態(tài):平衡態(tài)也具有擾動,平衡態(tài)是否穩(wěn)定就要看它能否抵抗各種干擾，使得任意形式的微小偏離都不斷減至為零，即它所引起的熵的變化δs<=0，保證這一條件系統(tǒng)穩(wěn)定熱力學第二定律加以保證從分析中引申出1孤立系統(tǒng)不可能產(chǎn)生自組織2非平衡態(tài)系統(tǒng)也不可能第30頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月C近平衡態(tài):最小熵產(chǎn)生原理，即熵產(chǎn)生p的速率不會大于0,dP/dt<=0它保證了近平衡態(tài)的穩(wěn)定性D遠離平衡態(tài)第31頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月形成的條件(1)系統(tǒng)處于遠離平衡的狀態(tài)。(2)系統(tǒng)必須是一個開放系統(tǒng)，即系統(tǒng)內(nèi)外環(huán)境之間要有物質(zhì)、能量、信息的交換與流通，并且必須使系統(tǒng)從外部輸入的負熵流絕對值大于系統(tǒng)內(nèi)部的熵產(chǎn)生，從而使系統(tǒng)的熵逐步減?。?）形成有序結(jié)構(gòu)的各要素之間存在著非線性的相互作用。第32頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月這種相互作用使各要素間產(chǎn)生l

相干效應(yīng)與協(xié)調(diào)動作，從而可以使系統(tǒng)從雜亂無章變?yōu)榫挥行?。l

使系統(tǒng)產(chǎn)生多個可能的分支l

產(chǎn)生臨界效應(yīng)第33頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月

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正反饋推動系統(tǒng)走向有序。負反饋往往會使系統(tǒng)的變化衰減，而正反饋則會使系統(tǒng)的變化被放大和加劇，從而推動系統(tǒng)的質(zhì)變，加速系統(tǒng)自復(fù)制自組織的過程，使要素微觀協(xié)同產(chǎn)生出宏觀秩序。（5）漲落和突變是產(chǎn)生有序狀態(tài)的條件。小的漲落會被衰減，而在臨界點附近，漲落則可能被放大，形成巨漲落，從而會推動系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)變，躍遷到新的分支上去，形成有序結(jié)構(gòu)。即在臨界點處，漲落會使系統(tǒng)發(fā)生突變，導(dǎo)致有序。第34頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月耗散結(jié)構(gòu)機理圖結(jié)構(gòu)功能漲落第35頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月協(xié)同學：研究了由平衡態(tài)從無序向有序轉(zhuǎn)化的機制，具更普遍的意義。它認為一個由大量子系統(tǒng)組成的系統(tǒng)實現(xiàn)自組織的關(guān)鍵不在于系統(tǒng)是否遠離平衡態(tài)，只要系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間在一定條件下通過協(xié)調(diào)一致的行動，就能形成宏觀尺度上穩(wěn)定有序的時空或功能結(jié)構(gòu)。子系統(tǒng)之間的這種相互配合、相互協(xié)調(diào)的機制即所謂協(xié)同作用第36頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月哈肯將影響系統(tǒng)行為的眾多變量分為兩類：快變量（在臨界點附近阻尼大，衰減快）慢變量（在臨界點附近阻尼系數(shù)趨于零）慢變量對系統(tǒng)的演化影響很大支配原理：在系統(tǒng)達到臨界點時，快變量受慢變量的支配和役使，慢變量決定和控制快變量，從而導(dǎo)致新的結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。序參量本質(zhì)上與慢變量等價第37頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月協(xié)同作用一是序參量與其它參量之間的合作關(guān)系和聯(lián)合作用，一是序參量之間的合作和聯(lián)合作用由于以上兩種協(xié)同作用的存在，整個系統(tǒng)處于積極的狀態(tài)，當環(huán)境變化時，全部子系統(tǒng)均作出主動調(diào)整，使系統(tǒng)發(fā)展演變第38頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月非平衡自組織理論的這些成果，對如何一般地理解進化的條件和根據(jù)提供了有益啟示系統(tǒng)中的相互作用是系統(tǒng)進化的基本根據(jù)外部獲得物質(zhì)和能量是系統(tǒng)進化的基本條件內(nèi)部漲落是系統(tǒng)進化的直接誘因（四）系統(tǒng)演化中的必然性和偶然性牛頓力學：必然性第39頁，課件共43頁，創(chuàng)作于2023年2月統(tǒng)計熱力學：概率引入科學，表明群體行為的規(guī)律已喪失了確定性，只能