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1、第2章 自然界的演化发展,2.1 自然界演化的科学图景 2.3 自然界演化的机制和条件 关键词：不可逆性 自组织性,2.1 自然界演化的科学图景,何谓“自然演化具有历史性”？ 自然处于发展变动之中，而非一成不变 自然界的发展具有时序性、指向性 自然的演化过程具有规律性,自然是如何演化发展的？,1、自然的演化发展是否周期性的、可以回复的？ 2、用什么来描述自然的演化方向？ 3、自然演化发展的过程机制是什么？这一机制给予我们什么启示？,1、自然的演化是否可以循环回复？,（1）“时间”箭头在描述自然的演化中有什么意义？ （2）什么是不可逆变化？该过程是否具有普遍性？,牛顿方程： F = m d2x
2、dt2 时间 t 只是一个外在的几何参数，没有方向，过去与未来是对称的,“ 对我们这些信念坚定的物理学家来说，过去、现在与未来之间的差别只是一种幻觉，虽然是一种长久不变的幻觉。”,dT =2T dT = -2T dt dt dC = D2C dC = - D2C dt dt 时间反演下，方程发生变化,Fourier 方程与 Fick 方程,(2) 不可逆变化,运动 可逆变化 (reversible） 变化 不可逆变化（irreversible) （演化） - 时间反演变换： t -t,可逆过程与不可逆过程,热力学系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态后它能使系统和外界完全复原，如果存在另
3、一过程，即，使系统回到原来状态，同时又完全消除原来过程对外界所产生的一切影响，则原来的过程称为可逆过程。 反之，如果无论采用何种办法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。,可逆过程,一个无摩擦力、无耗散的准静态过程称为可逆过程 在可逆过程中，体系从始态变到终态，再从终态回到始态，体系和环境都能恢复原状,自然界是否存在真正意义上 的可逆过程？,在昼夜温差较大的我国北方冬季，白天缸里的冰融化成水，而夜里同样缸里的水又凝固成冰。因此，这是一个可逆过程。你认为这种说法对吗？为什么?,实现可逆过程必需包括两个基本条件： （1）过程进行时体系内部状态变化应始终保持在准静态过程 （2）对外
4、界不留下任何影响,不可逆变化的特点,过程与环境不能同时完全复原 自发进行的变化，不可能自发地回到原来的状态，而对外界不发生任何影响 时间对称性破缺,t,t,熵：系统演化的重要参数,熵（entropy，能量的变异) s = 熵的宏观意义表征系统能量分布的均匀状态 熵的微观意义表征系统内部粒子的无序程度 熵的信息学解释认为熵是系统无组织程度的量度,dQ,T,M2, Q,T1T2,S1= - Q 0 T1,M1,S2= Q 0 T2,S = S1+S2 = - Q + Q 0 T1 T2,热力学第二定律：热量不可能自动地从较冷的物体转移到较热的物体（克劳修斯） 熵的增加表明系统中存在着自发不可逆的过
5、程,2、自然界的演化方向,演化（evolution) 是一种具有不可逆性的运动形态 系统的结构、特性行为、功能等随着时间的推移而发生的变化，称为系统的演化,用什么来描述自然的演化方向？,序 有序 无序 进化与退化,序：体现为系统元素之间的关系确定 有序：系统诸要素和系统之间在时间、空间、结构、功能上有规则的联系与转化 无序 有序与无序是相对的,什么是序？,进化与退化,进化是指事物从无序到有序的不可逆过程，或复杂性和多样性的增长过程 进化与退化是系统演化的两个重要方向,进化标准的判定,自然系统进化的标准：系统内部及其对环境的反应能力 非自然系统进化的标准：系统的功能及其满足人类目的的程度,进化与
6、退化的关系 - 相互包含 - 同存共生 - 相互交替,序（进化）的度量,1、对称性与序 对称操作越多或对称元素增多（越对称），就越无序 2、熵与序 系统的熵增加则有序程度降低（走向无序），熵减则走向有序,- 从进化的时间箭头上来看： 熵增（退化）意味着系统无序程度的提高 负熵（与宏观意义的熵的反向量度）的增加表征系统的进化,自然界演化的核心机制,自组织机制,什么是自组织（self-organization)？,系统依靠自身的机制形成有序结构的过程 系统的要素通过相干协同，而非通过外界特定干预形成特定结构与功能的过程 其实质在于系统内部组分的相干与协同,他组织 系统的要素按照特定指令而形成特定结
7、构与功能的过程 其实质在于执行指令,自然演化的自组织机制,1、开放是系统进化的先决条件 2、非平衡是有序之源 3、系统进化的内在根据:非线性机制 4、系统进化的直接诱因：随机涨落,系统的三种状态,平衡态 近平衡态 远离平衡态,系统的三种状态,平衡态：系统宏观参量无差别状态 近平衡态（线性平衡态）： 系统状态参量仅有微小差异的状态 远离平衡态（进入非线性区） 系统状态参量之间存在着最大或较大差异,熵增与进化,演化是一种具有不可逆性的运动形态 一切不可逆过程都是向着熵增加的方向进行 熵增意味着系统无序程度的提高,薛定谔在生命是什么?中指出： 一个生命有机体在不断地增加它的熵你或者可以说在增加正熵并
8、趋于接近最大熵值的危险状态，那就是死亡，要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法是从环境中不断吸取负熵，有机体是依赖负熵为生的 ，这就是生命的热力学基础。,开放系统的总熵变为：ds = des + dis 为系统内部的不可逆过程引起 的熵变化率，叫做熵产生 为系统与外界交换物质和能量 引起的熵变化率，称熵流 当系统从外界获得的负熵流大于系统内部的熵产生时：,ds des dis dt dt dt,dis dt,des dt,des dis ds0 dt dt dt,0,系统的开放使之能够借助外部环境输入的负熵克服、抵消系统内部的熵增，从而提供了进化/发展的可能,开放系统与封闭系统,开放系统：与环境
9、进行物质、能量交换，其边界往往有间断点，具有可以进出的通道 封闭系统： 系统阻止自身与环境进行物质交换，其边界是完全封闭的、连续的、不可渗透的，没有可以进出的通道（注：只是与环境的交换及其微弱，可以忽略不计）,系统进化的基本条件,（1）远离平衡态 （2）开放：必须与外界进行物质、能量的交换，即必须开放才有可能远离平衡态 开放与远离平衡是系统进化的必要而非充分条件,3、系统进化的内在根据,系统元素之间的非线性相互作用是系统进化的基础和根本机制 非线性作用产生的相干效应、分岔效应和临界效应是系统存在和进化的重要前提和基本机制 非线性机制规定了系统演化的可能方向与路径,线性作用与非线性作用的对比,非
10、平衡态系统的动力学方程,分岔,在控制参数越过临界值时，原来的热力学分支失去了稳定性，同时产生了新的稳定的耗散结构分支，在这一过程中系统从热力学混沌状态转变为有序的耗散结构状态，其间微小的涨落起到了关键的作用 阈值即临界值对系统性质的变化有着根本的意义,突变,这种在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫做突变 耗散结构的出现都是以这种临界点附近的突变方式实现的,4、系统进化的直接诱因,随机涨落 某一时刻对系统状态统计平均值的微小偏离 可由系统内部的不规则运动，也可由环境不可控的干扰引起，是一种随机的、不可预言的事件,微小涨落使系统发生微小变化，这一变化通过非线性的反馈
11、机制而被放大，从而使系统跃迁到一个新的稳定有序状态,耗散结构理论,一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态,这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构” (dissipative structure),自然的演化特征,自然界的演化是有序与无序不断转化，进化与退化不断交替，处于永恒的物质循环之中,由系统
12、自然观引申的方法论问题,I、系统分析方法 II、系统分析的基本原则,I、系统分析方法,把对象作为一个系统来研究的方法 从整体(全局)观点出发，定量地考察系统与要素之间、要素与要素之间、系统与环境之间的关系与联系，以便获得最优效果的方法,II、系统方法的基本原则,1、整体性原则 世界是关系的集合体而非实物的集合体 整体突现的，非还原的，非线性的,2、动态性原则 世界是过程的集合体，而非既成事物的集合体 要从系统的动态过程中来把握对象,3、综合性原则 从系统构成各个部分（元素、结构、环境、功能）来思考问题，特别注意组分相互关联下所产生的结构效应及其整体突现问题 4、最优化原则,来自系统分析方法的启
13、示,局部最优不等于整体最优，系统的最优是整体最优 最优化原则何以可能？ 注重整体的动态协调与合作 关注薄弱环节对整体的影响,最优化原则何以可能？,系统最优的分析，一方面取决于系统构成要素的相互作用、相互协调。所以欲达整体最优，就必须特别注意元素之间的联系与关系，寻求系统的最优结构,另一方面，系统最优来自系统整体性动态协调。需要我们从整体功能角度来提高和协调各要素的功能，使系统各要素结合保持合理，消除各要素间的盲目联系和无效行动，消除薄弱环节对整体效应的影响,早期的科学思维既是整体的又是思辨的；近代科学的崇高精神是依靠经验的而又是原子论的思维达到的。两种思维方式都难免有不足之处：前一种用信念和洞察代替了翔实的探求，后一种牺牲了融会贯通以换取条分缕析。今天我们正在目睹另一场思维方式的转换：转向严谨精细而又是整体论的理论按照同整体联系在一起的事实和事件来思考。用这种集成的关系集合体来看世界就形成了系统观点，这是现代的思维方式。,
