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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”？I.自然处于发展变动之中，而非一成不变II.自然界的发展具有时序性、指向性III.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=md2xdt2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=λ▽2TdT=-λ▽2TdtdtdC=D▽2CdC=-D▽2Cdtdt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tt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dQTM2△QT1T2△S1=-△Q0T1M1△S2=△Q0T2△S=△S1+△S2=-△Q+△Q0T1T2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：dsdesdisdtdtdtdisdtdesdtdesdisds0dtdtdt0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线性作用非线性作用f(ax1+bx2)=af(x1)+bf(x2)——满足叠加原理y=f(ƛ,x)——不满足叠加原理各因素相互独立，整体等于部分之和各作用因素具有相干性，整体不等于部分之和表现为均匀性与确定性表现为明显的不规则性与非均匀性非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”(dissipativestructure)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。