1、第二章 20 世纪自然科学的发展与系统自然观 一、系统自然观产生的自然科学基础 （一）现代自然科学的发展 1. 物理学上的新发现 德国物理学家伦琴 1895 年，发现 X 射线。 英国物理学家汤姆逊 1897 年，证实了电子流。 法国 .居里夫妇发现放射性元素 2、物理学上的危机 “两朵乌云 ” 黑体辐射问题 紫外灾难，经典理论无法解释 以太问题 迈克尔逊 莫雷实验 经典物理学陷入危机 3、物理学革命 （ 1） “相对论 ” 1905 年，爱因斯坦发表了题为运动物体中的电动力学的论文 狭义相对论的两个基本原理： 相对性原理；物理学定律在所有的惯性系中是相同的，不存在一种特殊的惯性系。 光速不变
2、原理：在所有的惯性系中，真空中光的速度具有相同的值。 1916 年，爱因斯坦发表了广义相对论的基础 （ 2）量子假说 1900 年 12 月 24 日，普朗克在法国物理学会上宣读了题为关于正常光谱能量分布定律的理论的论文。宣告了量子论的诞生。提出了能量子假说。 （ 3）光的量子理论 1905 年爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上找出了光量子假说，光就是以光速 C 运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。 （提出“波粒二象性”解释光电效应） 量子力学的建立 法国物理学家德布罗意 实物粒子也具有波动性 奥地利物理学家薛定谔 物质波的运动方程 海森堡 测不准关系 x p h/2 辩证唯物主义自然观的新
3、发展 1爱因斯坦相对论的建立，否定了牛顿的绝对时空观，把时间、空间联系起来，引起了时空观、物质观、运动观的深刻变革。 2量子力学揭示了统 计决定论的因果观。（改变了经典理论中的严格决定论；说明自然界是一个统一的、不可分割的整体。） 3分子生物学深化了对生命机制和生命本质的认识 四大理论模型 宇宙学中的大爆炸模型 粒子物理学中的夸克模型 分子生物学中的 DNA 双螺旋模型 地球科学中的板块模型 科学革命的不彻底性和遗留问题 （ 1）关于自然界是存在还是演化的问题 只克服了机械性、形而上学的片面性和孤立性，而静止性的克服有待科学进一步的发展。 （二）系统科学和复杂性科学 系统科学是把对象作为组织性
4、、复杂性系统从整体上进行研究，以揭示其运动规律和实际处理这类系统的科学。 包括： 控制论、信息论、系统论、耗散结构理论、突变论、协同学、混沌理论、超循环理论等 系统科学的产生和发展 系统科学的产生和发展： “三论 ”：系统论、控制论、信息论 (新三论 )非平衡理论： 耗散结构理论 比利时普里高津 协同学：德国哈肯 突变理论：法国托姆 混沌理论：混乱、无序 最早的系统科学 1、一般系统论（生物学家贝塔朗菲 1901-1972） 第一次把 “系统 ”定义为 “相互作用的若干要素的复合体 ”。（使科学研究对象从孤立的部分转向整体） 最早的系统科学 一般系统论是关于系统的一般模式、结构和规律的学问，它
5、研究各种系统的共同特征，用数学方法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门新兴科学。 2、控制论 cybernetics（美国 维纳 1948 年创立） 研究系统的状态、功能、行为方式及变化趋势，控制系统的稳定，揭示不同系统的共同的控制规律，使系统按预定目标运行的技术科学。 信息 是控制论的基本概念，既非物质，也不是能量。 反馈 是把被控制对象在控制信息作用下产生的输出信息返回传送给控制器，以根据控制效果来调控控制作用。 3、信息论 information theory（美国数学家 香农 1948 年创立） 是运用概率论与数理统计的方法研究信
6、息通信系统、数据传输、系统组织化程度以及信息在系统中如何有效的传输等问题的应用数学学科。 （信息熵作为信息量的测度） 新系统科学 新三论（ 20 世界 70 年代前后） 自组织（ Selforganization） 是指一个系统的要素按照彼此的相干性、协同性或某种默契而形成的特定结构和过程。 （信息来自内部，结构和功能在一定条件下自发产生） 1、耗散结构理论 dissipative structure theory（比利时科学家普里戈金 1967 年创立） 提出一个远离平衡态的开放系统可以通过不断地与外界交换物质、能量和信息，当外部条件达到一定临界值时，从原来混 沌无序的状态转变为有序状态，形
7、成有序结构的理论。 2、协同学（德国科学家哈肯 1969 年创立） 以竞争、协同和序参量等因子的系统内部相互作用解释系统动力学的理论，揭示了自组织的内在动力机制。 、突变论（法国数学家托姆 1972 年创立） 从结构的稳定性与非稳定性的对立统一角度用数学语言精确的描述了突变的过程、类型和内容。 证明了突变是 “飞跃 ”的论断 、超循环理论（艾根 1971 年创立） 以分子之间的关联形成循环链条的方式解释如何进化成为大分子的理论 揭示了 非生命自组织、非生命自组织向生命自组织演化的过程形式和本质。 系统的复杂性 复杂系统 是具有中等数目基于局部信息做出行动的智能性、自适应性主体的系统。 中等数目
8、的主体 :元素既不能太多 ,也不能太少 . 局部信息 :没有中央控制 ,每个主体只可以从个体集合的一个相对较小的集合中获取信息 ,做出相应的决策 . 智能性和自适应性 :系统内的元素或主体的行为遵循一定的规则 ,根据环境和接收信息调整自身的状态和行为 ,且主体通常有能力调整规则 ,产生新规则 . 复杂系统的特征 突变性、不稳性、非确定性、不可预测性 以上这些新系统科学的侧重点是系统的演化，据此称它们为 “自组织系统科学 ” 存在物理学 （原来物理学） 演化物理学 二、系统自然观的基本内涵和思想 （一）系统自然观的基本思想 物质观：开始把具有复杂性特征的事物作为研究对象，注重结构、相互关系及其演
9、化 . 时空观：进一步明确时空与物质的关联，表达时空与物质的复杂关系 . 演化观：强调事物的生成、演化以及对初值和环境的极端敏感性 . 生命观：以 “自组织 ”的观点，揭示事物会自发自主的从非生命演化出生命 . 环境和条件观：强调事物与环境的互动 . 系统观：把世界看作系统，注重整体性、关联性。（最显著、最根本的） （二）系统自然观最基本的内涵 1、自然系统不仅存在着，而且演化着；（从存在到演化） 不可逆性（时间之矢） 可逆过程 （时间反演对称） 使时间从一个外部参量转变为自然演化的内在尺度，提出 “内部时间 ”概念，表明自然科学从存在的科学走向演化的科学。 2、自然系统不仅是确定的，而且会自
10、发地产生不可预测的随机性； 确定性和随机性的统一 3、自然系统不仅是简单的、线性的，而且是复杂的、非线性的； 简单性和复杂性的统一 线性和非线性的统一 （三）系统自然观确立的重大意义 1、 丰富和发展了辩证唯物主义自然观 丰富和发展了物质观 整体性是自然界最基本的属性 丰富和发展了运动观 自组织性 丰富和发展了时空观 时间之矢是物理系统的内部属性 论证了辩证唯物主义自然观关于运动、发展的大循环思想 2、提供了系统思维方式 系统思维方式：是把对象当作一个系统的整体加以思考的思维方式，根据系统的性质、关系、结构，把对象的各个组成要素有机地组合起来构成模型，研究系统的功能和行为，具有整体性、综合性、
11、定量化和精确化的特征。 基本思路： 把对象作为整体来考察 “整体大于部分之和 ”（非加和性） 把系统看作动态开放系统 侧重研究无序、不稳定性、非线性、不平衡性 系统思维与形而上学思维方式的比较 系统论： 整体、综合 双向思维 形而上学 还原论部分、分析 单向思维 3、为科学认识活动提供世界观和方法论的指导 三、自然 界的系统存在方式 （一）何谓 “系统 ”？ 贝塔朗菲：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集合。 钱学森：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。 系统的定义： 所谓系统，就是由一定数量相互联系、相互作用的要素所组成的、具有特定功能的有机
12、整体。 系统由若干要素组成 系统内诸要素间形成了特定的结构 具有特定功能的统一整体 功能是在系统与外部环境的相互作用中表现出来。（系统总是处于一定环境之中） （二）系统的类型 根据系统与环境的关系可分为： 1.孤立系统 2.封闭系统 3.开放系统（更大的普遍性） 根据人对自然物参与的程度可分为： 1.天然系统 2.人工系统 3.复合系统 根据物质系统状态可分为： 1.静态系统（平衡态系统）（近平衡态系统） 2.动态系统（远离平衡态） 根据系统领域及认知程度可分为： 微观系统、宏观系统、宇观系统、黑系统、白系统、灰系统 三）系统的特点 1.动态开放性（可变性） 是物质系统与其环境系统之间的相互关
13、系，即与外界自由地进行物质、能 量和信息交换，进而不断地运动、发展和变化。 .稳定性 是系统的一个基本特点，即一个系统的结构一旦形成，就总是趋向于保持某一状态。 .整体性（最突出、最根本） 系统是各要素按一定方式构成有机整体，而非简单地加和；系统表现出各组成要素所没有的新性质和功能。 “整体大于部分之和 ” 整体性是一切自然系统的普遍属性 .层次性 是指一方面系统由一定的要素组成，这些要素是由更小一层次的要素组成的子系统，另一方面系统自身又是更大系统的组成要素。 层次结构的特点 层次结构 ：指的是若干要素经相干性关系构成的系统，再通过新的相干性关系而构 成新系统的逐级构成的结构关系。 层次结构
14、中的构成性关系是物质系统间的纵向关系 层次结构中的相干性关系是物质系统间的横向关系 （横向关系的存在导致了纵向层次间的差异） 层次结构的结合度 随着层次结构由低到高推进，结合的紧密程度由大到小而递减。 反之，则高层系统形成时，低层系统必将瓦解，进而不能成为一个整体。 层次越高，结合度越小 高层系 统 既造成了层次间的差异，也沟通了层次间的联系 质的差异 限制和影响 底层系统 表明：低层系统对高层系统的基础 性作用 高层系统对低层系统的支配调节作用 （四）系统中的几对辩证关系 1、系统与要素 区别： 系统与要 素在性质、功能、关系以及构成方面都是不一样的。 系统的新质不是要素性质的简单加和 联系
15、： 系统与要素相互依存 ； 系统与要素相互影响 ； 系统与要素相互转化 2、系统的功能与结构 系统的结构：是指自然系统的诸要素之间的相互关系的总和，它表现为系统内部的 上向因果链 下向因果链 双向因果链 组织形式、联系方式和秩序。 系统的功能：是指系统与外界环境之间表现出来的物质、能量、信息的输入与输出 的变换关系。 功能与结构的关系 结构是功能的内在根据（相对稳定），功能是结构的外在表现（可变性）。 结构决定功能、功能对结构具有反作用、功能具有相对的独立性 3、加和性与非加和性的辩证关系 加和性：一个系统能够通过把原来分离的要素集合拢来的方式建立起来；反之，系 统的特征能够完全分解为各个分离
16、要素的特征。 非加和性 表征系统与其构成部分之间质的差异，表征新属性的出现。 非加和性 相干性 相干性 耦合关系 耦合各方经过物质、能量、信息的交换而彼此约束和选择、协同和放大。 耦合 :在复杂系统中开放条件下 ,很多复杂 因素共同坚强或削弱某一因素的行为 . 约束和选择 自由度减少；部分属性丧失 . 协同和放大 在新的模式下协调一致，原有属性被拓宽放大 . 如耦合不改变各方的某种属性，那么在这种属性上，部分对整体是加和的。 如耦合中各方的属性是相干的，那么在这类属性上，部分对整体是非加和的。 （系统中必然存在 ） 加和性与非加和性共存于系统之中，在系统演化过程中相互转化。 4、稳定与涨落的辩
17、证关系 涨落：刻划系统整体状态的宏观量对平均值的起伏或偏离 稳定：宏观量保持在某种平均值上 根据对涨落的不同反应，可区分出三种状态： 恒稳态 对涨落保持不变的状态 亚稳态 在一定范围内对涨落保持不变的状态 不稳定状态 在涨落下会消失的状态 稳定与涨落的矛盾统一：稳定 失稳 再稳定 四、自然界的演化发展 自然界演化的不可逆性 自然界演化的方向性 自然系统演化的基本方式 自然系统演化的机制 （一）时间之矢与不可逆性 可逆与不可逆（刻划过程的概念） 设在某一过程 L 中，系统从状态 A 变化到状态 B 。如果能使系统从状态 B 逆向回复到初状态 A ，而同时外界也恢复原状，过程 L 就称为可逆过程。
18、 如果系统不能回复到原状态 A ，或者虽然能回复到初态 A ，但外界不能恢复原状，那么过程 L 称为不可逆过程。 可逆过程 时间反演对称：如描述一个过程的数学方程中，将时间 t 的符号改变 （ t - t ），方程的形式不变。（过去与未来对运动没有区别） 时间反演对称 可逆过程 时间仅仅是从外部描述运动的一个参量，它的变化不影响运动的性质。（没有物理内容，没有实质性意义） 结论：大量事实表明，一切与热现象有关的实际宏 观过程都是不可逆的，热力学第二定律的实质在于揭示了自然过程的不可逆性。 不可逆性在 演化中的作用 不可逆显示了时间的方向性，突出了时间箭头的实质性意义，从而是有物理内容的时间。这
19、意味着，在不可逆过程存在的情况下，自然界的演化才是可能的，质的多样性才是可能的。 一方面不可逆过程总是起着破坏有序结构，使有序趋向无序的消极作用 退化 另一方面，不可逆过程也具有建设性作用，产生更加有序的结构 进化 与不可逆过程联系的时间箭头即可以指向退化方向，又可以指向进化方向。 （二）自然界演化的方向性 进化与退化 进化（ evolution）：自然界的物质系统在物质形态和运动形式上由简单到复杂、由低级到高级、由混乱无序到组织有序的发展趋势或复杂性和多样性的增长。 演化不一定就是进化，进化是一种具有特定方向的演化（上升的、从无序到有序、从低序到高序）。 1、进 化 序、有序和无序 序 排列
20、，引申为一种规则的状态。 不仅表现为空间结构的某种规则性，而且反映了时间演化过程的某种规律性。 有序 自然系统内部各要素的空间位置呈现有规则排列，系统的变化过程有明显的周期性，系统的行为表现出一定的关联性。 无序 自然系统内部各要素之间混乱而无规则的组合及系统变化的无规则性称为无序 有序与无序的辩证关系 有序与无序是相对的，而不是绝对的。 （没有绝对的有序，也没有绝对的无序，两者间没有绝对分明的界限） 有序与无序在一定条件下相互转化。 有序度： 任何系统都是有序和无序的不同程度的辩证统一，这种统一的不同程度，就构成了系统的一定秩序，即有序度。 以 “熵 ” 来表示系统的无序程度 自组织理论 自
21、组织（ self-organization） 系统通过一定的机制自行、自我组织起来的概念。 组织 组织化 被组织 所谓自组织是指一个系统的要素按照彼此的相干性、协同性或某种默契而形成的特定结构和过程。 （自组织过程所需要的信息来自系统自身而不是其外部） 产生自组织的外部条件 系统必须是开放的 (必要条件 ) ds(系统的熵 )=dis（系统自身的熵产生） +des（系统与环境的熵交换） 如果 ds 增加了，那么系统走向无序，反之，就是在走向有序 ds(系统的熵 )=dis（系统自身的熵产生） +des（系统与环境的熵交换） 对于孤立系统 ds=dis （只能走向无序） 对于开放系统 dis （
22、非负值） des or 0 只有当： des 0 且 dis 时，有序状态才能维持和增加 系统必须远离平衡态 (充分条件 ) 只有远离平衡态才能使原来的状态失稳，产生新结构 系统内部必须存在非线性机制 . 非线性机制 非加和性 是导致事物变化的内外因素相互连接和耦合而产生的综合效应。 自组织演化的内在机制 涨落与正反馈 涨 落 刻划系统整 体状态的宏观量对平均值的起伏或偏离。（随机出现，不可预测；决定着系统演化的方向） 正反馈 是一种关联放大的过程（导致突变） 竞争与协同 竞争 系统内各要素相互争夺，力图取得支配和主导地位的活动与过程。 协同 系统中子系统或要素的联结、合作、协调与同步行为。（
23、是系统整体性、相关性的内在根据） 竞争与协同是对立统一的，体现了矛盾的斗争性与同一性的辩证关系，是系统演化的内在动力。 自组织演化的形式 突变 渐进过程的中断 循环 不是系统演化发展中的一种简单的复归 超循环 超循环理论 反应循环 是一种相互关联的反应，其中某一步的产物正好是先前某一步的反应物。 催化循环 以反应循环为子系统耦合而成的循环 超循环 以催化循环为子系统，通过功能耦合而结合起来，形成更高一级的循环组织 2、退化 是指自然界物质系统演化趋势的另一种方向，是指物质系统自发地、不可避免地从高级运动形式转化为低级运动形式，由有序到无序、由高序到低序的趋势和过程。 3、进化与退化的一般特点
24、自发性特点 稳定性重建的特点 离散性特点 进化与退化的统一性 进化与退化相互包含 进化与退化同生共存 进化与退化相互交替 第三章天人和谐的生态自然观 本章内容： 一、人与自然关系的历史演变 二、马克思、恩格斯生态思想的基本观点和特征 三、生态自然观确立的现实根源和科学基础 四、生态自然观的基本思想 五、可持续发展理论 一、人与自然关系的历史演变 自然的 “ 奴隶 ” 自然的 “ 主人 ” 自然的 “ 朋友 ” 1、浑然一体的原始同一关系 人对自然敬畏、依顺和屈从，自然对人类是神秘莫测的，人类受自然界神秘力量的驱使和压迫。 2、人类支配、征服自然 树立起人是自然主人的信念，自然变成人类征服的对象
25、。 3、人与自然的和谐发展 认识到人与自然的关系必然是天人和谐的关系， “ 人在自然之内，自然也在人之内 ” 。 人与自然关系的基本思想 人与自然的对象性关系 相互依存，相互制约 人不能离开自然界而独立存在 自然界也因为人的活动而发生了改变，打上人类的烙印。 表明：人对自然既具有受动性又具有能动性，在实践中使这种受动与能动的关系得到统一。 二、马克思、恩格斯生态思想的基本观点和特征 （一）马克思、恩格斯的生态思想 1、自然界是人类发展的前提和基础 2、环境创造人，人也创造环境 3、人要与自然和谐一致 4、改革不合理的社会制度，是实现人与自然协调发展的重要途径 二、马克思、恩格斯生态思想的基本观
26、点和特征 （二）马克思、恩格斯的生态思想的基本特征 1、自然界是人类发展的前提和基础 2、环境创造人，人也创造环境 3、人要与自然和谐一致 4、改革不合理的社会制度，是实现人与自然协调发展的重要途径 三、生态自然观确立的现实根源和科学基础 （一）现实根源 生态危机 由于人类对自然环境的过度开发而引起的生态条件恶 化所导致的不利于人的生存与发展的现象，概括为 “ 生态失衡 ” 1、人口激增、膨胀 6、酸雨现象严重 2、温室效应 7、森林破坏 3、厄尔尼诺现象 8、生物多样性减少 4、臭氧层空洞 9、自然资源问题 5、土地荒漠化 三、生态自然观确立的现实根源和科学基础 （二）科学基础 生态科学 S
27、cience of survival 1866 年，德国科学家海克尔提出生态学概念 1935 年，英国科学家坦斯利提出生态系统概念 1953 年，美国生态学家奥德姆的生态学基础问世 四、生态自然观的基本思想 1、生态系统是生命系统 生态系统是生物系统和环境系统共同组成的自然整体，是以生命的维持、生长、发育和演替为主要内容的活生生的系统。 2、生态系统具有显著的整体性 3、生态系统是自组织的开放系统 4、生态系统是动态平衡系统 5、生态平衡是稳定性与变化性相统一的系统 五、可持续发展思想的产生与内涵 1972 年联合国第一次 “ 人类与环境会议 ” 通过了人类环境宣言 同年，罗马俱乐部发表了增长
28、的极限 1981 年美国科学家布朗出版建设一个持续发展的社会（首次论述了持续发展的思想） 1987 年世界环境与发展委员会发表我们共同的未来 第一次明确定义 1992 年世界 “ 环境与发展 ” 大会通过里约环境与发展宣言、 21 世纪议程 全球性的行动纲领 可持续发展的定义： 既满足当代人的需要 ,又不损害后代人满足需要的能力的发展 可持续发展的内涵： 需要 的概念 贫困人口的需要应放在首 位来考虑 限制 的概念 技术状况与社会组织环境满足眼前和将来需要的能力施加的限制。 可持续发展的三个指标： 经济的 环境的 社会的 三者缺一不可 可持续发展的基本原则： 1、持续性原则 人类的经济和社会发展必须维持在资源和环境的承受能力的范围之内，以保证发展的持续性。 可持续发展的基本原则： 2、共同性原则 人类生活在同一个地球上，地球的完整性和人类的相互依存表现了人类根本利益的共同
