二系統(tǒng)自然觀的建構(gòu)

第二章系統(tǒng)自然觀的建構(gòu)

每個(gè)時(shí)代的自然觀都是對(duì)該時(shí)代科學(xué)技術(shù)前沿成果的概括和提煉。本章的主要內(nèi)容，是20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)給辯證唯物主義自然觀帶來(lái)的新發(fā)展。第一節(jié)自然界的物質(zhì)系統(tǒng)性一、自然物質(zhì)形態(tài)的系統(tǒng)性系統(tǒng)是自然物質(zhì)的普遍存在方式，也是物質(zhì)間普遍聯(lián)系的基本方式。系統(tǒng)：由相互聯(lián)系和相互作用的若干要素以一定的方式所組成的具有特定結(jié)構(gòu)和功能并與周圍環(huán)境發(fā)生聯(lián)系的有機(jī)整體。物質(zhì)系統(tǒng)：以系統(tǒng)方式存在的物質(zhì)客體。1、系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是有機(jī)整體性

系統(tǒng)并不是各個(gè)部分的簡(jiǎn)單總和，“非加和性”。系統(tǒng)作為一個(gè)整體，將出現(xiàn)它的組成部分所沒(méi)有的性質(zhì)或者失去其組成部分所具有的性質(zhì)。如原子是由中子、電子、質(zhì)子等組成，但原子作為一個(gè)整體所具有的性質(zhì)，不能還原其個(gè)組成部分的性質(zhì)組合。2.系統(tǒng)的要素、結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)境在物質(zhì)系統(tǒng)的整體與外部之間（環(huán)境），系統(tǒng)整體與部分之間以及系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)部分（要素）之間，普遍存在著相互作用。這種相互作用的存在，使系統(tǒng)具有一定的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出一定的功能。結(jié)構(gòu)是指物質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)部個(gè)要素之間的聯(lián)系與組織方式

（1）空間結(jié)構(gòu)

（2）時(shí)空結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)物質(zhì)系統(tǒng)的功能，是指有特定結(jié)構(gòu)的物質(zhì)系統(tǒng)在內(nèi)部關(guān)系和外部關(guān)系中所表現(xiàn)出來(lái)的特性和能力。系統(tǒng)的環(huán)境是指與系統(tǒng)或系統(tǒng)組成部分發(fā)生相互作用而又不屬于這個(gè)系統(tǒng)的所有事物上的總和。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系是辯證統(tǒng)一的，沒(méi)有無(wú)結(jié)構(gòu)的功能，也沒(méi)有無(wú)功能的結(jié)構(gòu)。物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定功能，結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)；而功能的發(fā)揮對(duì)結(jié)構(gòu)又有反作用，功能的優(yōu)化或退化，有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的優(yōu)化或退化。同時(shí)，功能與結(jié)構(gòu)也并非絕對(duì)對(duì)應(yīng)，同一結(jié)構(gòu)，可能有多種功能，同一功能也可以用不同的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。要素、結(jié)構(gòu)、功能與環(huán)境是規(guī)定、理解和分析系統(tǒng)的四個(gè)基本內(nèi)容。系統(tǒng)的功能不僅依賴于其要素和結(jié)構(gòu)，還依賴于環(huán)境、要素性質(zhì)、結(jié)構(gòu)構(gòu)型和環(huán)境條件的變化。物質(zhì)系統(tǒng)具有無(wú)限多樣性。運(yùn)動(dòng)形式、系統(tǒng)和環(huán)境的關(guān)系、人與物質(zhì)系統(tǒng)的關(guān)系等。二、自然物質(zhì)系統(tǒng)的層次性自然物質(zhì)系統(tǒng)是一個(gè)相互聯(lián)系又相互作用的等級(jí)結(jié)構(gòu)，其每一個(gè)具體系統(tǒng)都是較高一級(jí)系統(tǒng)的一個(gè)要素；同時(shí)，他自身作為一個(gè)系統(tǒng)又包含著更低等級(jí)的子系統(tǒng)。質(zhì)的差異的等級(jí)系統(tǒng)，就是物質(zhì)系統(tǒng)的層次性。非生命物質(zhì)系統(tǒng)包含微觀系統(tǒng)：分子—原子—原子核—基本粒子—夸克—？宏觀系統(tǒng)：地球物體—衛(wèi)星—行星—恒星—宇觀系統(tǒng)：地月系—太陽(yáng)系—銀河系—總星系—宇宙？—生命物質(zhì)系統(tǒng)生物大分子—組織—器官—個(gè)體—種群——群落—生態(tài)體系—生物圈不同層次生命系統(tǒng)的科學(xué)研究，也分別屬于生物學(xué)、細(xì)胞學(xué)、生理學(xué)、生物進(jìn)化論和生態(tài)學(xué)等不同學(xué)科。物質(zhì)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)有兩個(gè)規(guī)律；（1）自然界物質(zhì)系統(tǒng)層次的結(jié)合度是隨著層次由低到高推進(jìn)，結(jié)合度由大到小遞減。（2）層次不同，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同。在低層次看來(lái)正確的東西在高層次就不一定正確，例如，宏觀低速運(yùn)動(dòng)服從牛頓力學(xué)規(guī)律，微觀高速運(yùn)動(dòng)服從相對(duì)論量子力學(xué)。

三、自然物質(zhì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可變性穩(wěn)定性和可變性是物質(zhì)系統(tǒng)中普遍存在的一對(duì)重要性質(zhì)。穩(wěn)定的存在，使人們能對(duì)豐富多彩的自然界從各個(gè)角度進(jìn)行考察，可變性的存在，則使自然界的演化（進(jìn)化或者退化）成為可能。物體的穩(wěn)定性與自組織現(xiàn)象密切關(guān)聯(lián)。（自組織現(xiàn)象，就是在一定條件下系統(tǒng)通過(guò)自我組織自發(fā)形成一種“有序結(jié)構(gòu)”的現(xiàn)象。一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著上線臨界值（閾值），超過(guò)這個(gè)值，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)臨界不穩(wěn)定性，使系統(tǒng)進(jìn)入失穩(wěn)或者混沌狀態(tài)。第二節(jié)自然物質(zhì)系統(tǒng)的演化與自組織

20世紀(jì)的新物理學(xué)革命革新了機(jī)械自然觀的物質(zhì)觀和時(shí)空觀。隨后出現(xiàn)的系統(tǒng)科學(xué)和非平衡態(tài)熱力學(xué)則帶來(lái)了從靜止到演化的自然觀——演化發(fā)展的自組織自然觀。其基本觀點(diǎn)是：自然的演化過(guò)程具有不可逆性；自然的進(jìn)化是一個(gè)不斷有序化和發(fā)生對(duì)稱性破缺的過(guò)程，具有開放性、遠(yuǎn)離平衡態(tài)、非線性相互作用和漲落的自組織機(jī)制；自然界的循環(huán)發(fā)展具有無(wú)限性。一、自然物質(zhì)系統(tǒng)的演化過(guò)程自然界的演化主要是由宇宙的起源、地球的起源、生命的起源和人類的起源構(gòu)成的。合稱為“四大起源”。1、宇宙的起源和演化按照現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的大爆炸宇宙論和暴脹宇宙論，宇宙起源于大約150億年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸之初，是一個(gè)高溫、高密度的“奇點(diǎn)”。從大爆炸開始至10－43秒（普朗克時(shí)間）之間有一個(gè)過(guò)渡的混沌狀態(tài)，它包含有隨機(jī)的量子漲落以及由初始狀態(tài)的一種臨界不穩(wěn)定性造成的許多被稱為“泡沫”的區(qū)域。隨著宇宙的膨脹，溫度的下降，宇宙進(jìn)入到一個(gè)叫做“假真空”的狀態(tài)，這種“假真空”不同于真的物理真空，它具有巨大的負(fù)壓力，引起引力排斥效應(yīng)，使宇宙從大約10－35秒后發(fā)生按指數(shù)急劇的膨脹即所謂“暴脹”，以致宇宙在這一極短的時(shí)間（10－35－10－32秒）半徑增加了約1050倍。在暴脹結(jié)束后（10－32－10－6秒），宇宙進(jìn)入對(duì)稱破缺階段，由“假真空”態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢嬲婵铡睉B(tài)，其多余的能量釋放出來(lái)，在“真真空”中產(chǎn)生了諸如夸克、輕子之類的最基礎(chǔ)的基本粒子，標(biāo)志著宇宙的誕生。而隨著宇宙溫度和密度的逐步降低，宇宙又經(jīng)歷了以下幾個(gè)演化階段：（1）基本粒子形成階段。（2）輻射階段或核合成階段。這個(gè)階段從宇宙時(shí)為1秒開始持續(xù)到一萬(wàn)年。（3）實(shí)物階段。宇宙時(shí)一萬(wàn)年后，形成穩(wěn)定的原子。大約在宇宙時(shí)70萬(wàn)年左右形成原子星系。當(dāng)宇宙時(shí)為50億年時(shí)，開始形成第一代恒星。恒星的演化，按目前廣為接受的彌漫說(shuō)，一般經(jīng)歷四個(gè)階段：引力收縮階段；主序星階段；紅巨星階段；脈沖星階段或爆發(fā)階段和高密階段。在恒星演化的特定階段和特定條件下，在宇宙之一隅出現(xiàn)了太陽(yáng)系以及作為太陽(yáng)系一個(gè)成員的地球。

觀看教學(xué)片2、地球的演化

首先是地球內(nèi)部圈層的形成和演化。按照“冷”起源說(shuō)，形成原始地球的那部分物質(zhì)的溫度開始時(shí)比較低，后來(lái)在各種因素作用下，重元素下沉形成地核，輕元素上浮形成地幔。其次是地球外部圈層的形成和演化。由于地幔物質(zhì)增溫，被禁錮在地幔物質(zhì)中的一氧化碳、甲烷、氨等氣體逸出地表。形成原始大氣圈。早期的大氣中含有大量的水汽，由于地表溫度下降，水汽便凝結(jié)成雨降到地面。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代形成了海洋，集聚在大陸上的水形成江河、湖泊以及地下水。這些水息息相通，形成連續(xù)的水圈。這樣，就形成地球的內(nèi)三圈（地核、地幔、地殼）和外三圈（巖石圈、水圈、大氣圈）。生命形成發(fā)展后還有生物圈。再次是地殼運(yùn)動(dòng)。根據(jù)板塊學(xué)說(shuō)，整個(gè)地殼被劃分為若干個(gè)大的板塊，板塊馱在地幔軟流圈之上，隨著軟流圈的熱對(duì)流發(fā)生移動(dòng)，由板塊的水平運(yùn)動(dòng)控制的垂直運(yùn)動(dòng)造就了豐富的地貌。3、生命的起源和演化

原始生命的起源和發(fā)展需要經(jīng)過(guò)化學(xué)進(jìn)化和生物進(jìn)化兩個(gè)階段。生命起源的化學(xué)進(jìn)化階段，一般認(rèn)為在地球誕生之后大約十多億年的時(shí)間。生命起源的化學(xué)進(jìn)化過(guò)程大致經(jīng)歷了如下四個(gè)階段：（1）從無(wú)機(jī)小分子合成有機(jī)小分子（2）從有機(jī)小分子合成生物大分子（3）從生物大分子組成多分子體系（4）從多分子體系演變?yōu)樵忌Ｈ绻蜒莼茸髻悎?chǎng)，將寒武紀(jì)生命大爆發(fā)的不同動(dòng)物門類與現(xiàn)生動(dòng)物門類進(jìn)行對(duì)照，人們不難發(fā)現(xiàn)，在漫漫五億多年的時(shí)空之旅中，曳鰓動(dòng)物、星蟲動(dòng)物、箭蟲動(dòng)物、尾索動(dòng)物和海豆芽等則恪守祖先的原本，忠誠(chéng)地將祖先的特征、體態(tài)、行為和生活方式一代又一代遺傳下來(lái)。而節(jié)肢動(dòng)物一直在快跑，脊椎動(dòng)物先是慢走，后來(lái)急起直追，沿著魚類、兩棲類、爬行類和哺乳類的方向演化，最后由哺乳類動(dòng)物分化出了人類。展現(xiàn)了生命的波瀾壯闊、多彩多姿。人類是從脊椎動(dòng)物靈長(zhǎng)目中的猿分化出來(lái)的。勞動(dòng)是促成這一進(jìn)化的重要條件。能制造工具的人類大約出現(xiàn)在距今300萬(wàn)年前。人類的起源和進(jìn)化大體上分為以下四個(gè)階段：（1）類人猿：在1400萬(wàn)年前。能使用天然工具，但還不會(huì)制造工具（2）猿人：大約生存于距今300萬(wàn)到30萬(wàn)年前，是人類的直接祖先，他們已能制造石器，（3）早期智人（古人）：大約出現(xiàn)于20多萬(wàn)年前，他們學(xué)會(huì)了人工取火，（4）晚期智人（新人）：大約出現(xiàn)在4－5萬(wàn)年前舊石器時(shí)代晚期，能夠布置陷阱捕捉猛獸，能夠摩擦取火，用獸皮等做簡(jiǎn)易房屋。4、人類的起源和進(jìn)化如今，人類已經(jīng)能夠在分子水平上通過(guò)基因工程來(lái)“修改”生命，甚至創(chuàng)造出新的生命形式。當(dāng)代生命科學(xué)已發(fā)展到足以改造人類自身，改變?nèi)祟惖淖匀槐拘缘某潭?。它已?jīng)可以在如下不同層次上對(duì)人的生命載體進(jìn)行技術(shù)操作：一是對(duì)外形的“修改”或“補(bǔ)充”，如五官整形、斷肢再植等；二是對(duì)體內(nèi)器官的治療和移植，包括天然器官和人造器官的移植；三是在細(xì)胞水平上的操作，諸如體外受孕、試管嬰兒，以及包括生殖細(xì)胞和體質(zhì)細(xì)胞的克隆技術(shù)等；四是在分子水平上的操作，如目前正在試驗(yàn)的基因治療以及通過(guò)對(duì)人體基因組的修改來(lái)改善人的生命質(zhì)量，使人類發(fā)生物性的新進(jìn)化。1、自組織自組織是指沒(méi)有外界的特定干預(yù)，在事物自身的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律下支配實(shí)現(xiàn)的。自組織使自然物質(zhì)系統(tǒng)演化過(guò)程中的普遍現(xiàn)象，每一個(gè)具體形態(tài)的物質(zhì)系統(tǒng)的形成，都可以認(rèn)為是自組織過(guò)程。

二、自組織現(xiàn)象與自組織理論

自組織一般包含著三類過(guò)程：由非組織到組織的過(guò)程演化；由組織程度低到組織程度高的過(guò)程演化；在相同組織層次上由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程演化。2.自組織理論：系統(tǒng)進(jìn)化的機(jī)制和條件

自組織理論是一個(gè)學(xué)科群，其中最具代表性的有耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)、超循環(huán)理論、突變論。各種自組織理論盡管背景和對(duì)象有很大的差別，但都試圖解決一個(gè)普遍性的問(wèn)題，即從無(wú)序走向有序的條件和機(jī)制問(wèn)題，并取得了不同程度的成功。這些理論從不同側(cè)面揭示了在遠(yuǎn)離平衡條件下的開放系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)的可能性。（1）耗散結(jié)構(gòu)

耗散結(jié)構(gòu)是指需要耗散能力才能形成和維持的有序結(jié)構(gòu)。

（比利時(shí)化學(xué)家）普利高津指出，一個(gè)系統(tǒng)的熵變（dS）是由兩方面的因素引起的，一個(gè)因素是系統(tǒng)與環(huán)境相互作用中交換的熵（dSe），稱外熵流，另一個(gè)因素是系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)產(chǎn)生的熵（dSi），稱熵變。系統(tǒng)總熵為：

dS=dSe+dSi對(duì)于孤立系統(tǒng)，由于系統(tǒng)和環(huán)境之間沒(méi)有物質(zhì)和能量的交換，也就不可能產(chǎn)生熵的交換。（2）協(xié)同學(xué)協(xié)同學(xué)研究的對(duì)象是系統(tǒng)從初始穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)一系列不穩(wěn)定過(guò)程，演化為宏觀上具有自組織行為的新狀態(tài)的一般規(guī)律。德國(guó)物理學(xué)家哈肯在20世紀(jì)九十年代提出的。

自然系統(tǒng)進(jìn)入自組織，必須存在一個(gè)反饋通道，它可以通過(guò)正反饋的方式放大系統(tǒng)的某種波動(dòng)或起伏，從而產(chǎn)生新質(zhì)，加速系統(tǒng)的自組織。比如在城市發(fā)展歷史上，如果由于某種原因而使某個(gè)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平稍高一些，那么它將提供更多的就業(yè)機(jī)會(huì)，從而吸引更多的人口到這里集中，而人口集中又對(duì)消費(fèi)品提出更多的要求，這又促使經(jīng)濟(jì)水平的提高，這被稱為“城市倍增器”，是一種正反饋機(jī)制。三、自組織理論關(guān)于系統(tǒng)演化的基本范疇1.無(wú)序、有序“序”是描述客觀事物或系統(tǒng)內(nèi)部組成元素之間相互關(guān)系的范疇“無(wú)序”是指客觀事物或系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間聯(lián)系、組合或運(yùn)動(dòng)的無(wú)規(guī)則性和不確定性。“有序”指的是客觀事物或系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間聯(lián)系、組合或運(yùn)動(dòng)，在空間、時(shí)間、結(jié)構(gòu)功能等方面顯示出一定的順序、規(guī)則，具有某種確定性、方向性和規(guī)律性?！盎煦纭笔窍到y(tǒng)演化的一個(gè)方向；混沌并不等于混亂，也不是無(wú)序，是確定系統(tǒng)內(nèi)在隨機(jī)性，是看起來(lái)雜亂無(wú)章的有序狀態(tài)，或說(shuō)是裝扮成無(wú)序的有序。是無(wú)序與有序的統(tǒng)一。2.平衡與非平衡

平衡與非平衡是標(biāo)志著系統(tǒng)矛盾運(yùn)動(dòng)的范疇。平衡是指矛盾雙方勢(shì)均力敵，處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。非平衡狀態(tài)是指矛盾雙方力量有一定差異，因而處于顯著變動(dòng)的狀態(tài)。在近乎平衡態(tài)的情況下，即使系統(tǒng)開放，它也會(huì)返回平衡態(tài)的?！胺瞧胶馐怯行蛑础?，只有非平衡態(tài)才能導(dǎo)致有序，形成穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)。怎樣實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的非平衡態(tài)呢？通過(guò)來(lái)自外部環(huán)境的物質(zhì)流、能量流以及伴隨而來(lái)的信息流的輸入，將系統(tǒng)驅(qū)使到遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處在遠(yuǎn)離平衡態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部各構(gòu)成要素或子系統(tǒng)之間存在著非線性相互作用時(shí)，那么，某種微小的漲落將通過(guò)正反饋機(jī)制而被放大，使系統(tǒng)躍遷到一個(gè)新的穩(wěn)定有序狀態(tài)。正因如此，普利高津說(shuō)：“在非平衡過(guò)程中……漲落決定全局的結(jié)果”，“通過(guò)漲落達(dá)到有序”。3.對(duì)稱與非對(duì)稱對(duì)稱是指事物或運(yùn)動(dòng)是以一定的中介進(jìn)行某種變換時(shí)所保持的不變性或者同一性。非對(duì)稱則是變化性或者差異性。系統(tǒng)的對(duì)稱性破缺狀態(tài)對(duì)應(yīng)著有序，自然系統(tǒng)的有序化是對(duì)稱性破缺的結(jié)果，正是由于對(duì)稱性破缺才使系統(tǒng)向有序化、組織化、和復(fù)雜化演化。四、自然物質(zhì)系統(tǒng)演化的方向問(wèn)題1.可逆與不不可逆可逆與不可逆蝕刻畫自然物質(zhì)系統(tǒng)演化過(guò)程的一對(duì)范疇。可逆，是指一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)某一演化過(guò)程，從某種初始狀態(tài)達(dá)到另一種狀態(tài)，如果存在著另一種過(guò)程，使該系統(tǒng)與外界環(huán)境完全回到原來(lái)的初始狀態(tài)，則原來(lái)的過(guò)程稱為可逆過(guò)程。反之則是不可逆過(guò)程。在自然物質(zhì)的演化過(guò)程中，可逆性總是相對(duì)的和有條件的，不可逆才是絕對(duì)的和無(wú)條件的。不可逆才是演化成為可能。進(jìn)化和退化是自然界中廣泛存在的兩種趨勢(shì)和過(guò)程。進(jìn)化與退化之間具有統(tǒng)一性。這種統(tǒng)一性主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）進(jìn)化與退化互相包含。以進(jìn)化為主的過(guò)程往往內(nèi)在地包含著退化。同樣，以退化為主的過(guò)程也常常內(nèi)在地包含著進(jìn)化。生物進(jìn)化具有不可逆性，滅絕的物種不可能重新出現(xiàn)，但是生物進(jìn)化之中也有退化，一些結(jié)構(gòu)和功能的進(jìn)化，同時(shí)也就意味著另一些結(jié)構(gòu)和功能的退化；返祖現(xiàn)象的出現(xiàn)，也是生物進(jìn)化之中的退化。2、進(jìn)化與退化的對(duì)立統(tǒng)一（2）進(jìn)化與退化同生共存。進(jìn)化與退化常常是同時(shí)存在和同步發(fā)生的。它們往