自然界的系统演化.ppt

1 可逆与不可逆如果系统从某一状态变到另一状态后，能够再回复到原来的状态，并且同时使系统的环境也回复到原状，这样的过程就是可逆过程。,二 自然界的系统演化,（一）可逆性与不可逆性（是否有时间箭头),2自然界的演化过程是可逆还是不可逆的？存在物理学与演化物理学,存在物理学：时间是从外部描述运动的一个参量，它的变化并不影响运动的性质，因而也无法从运动性质来判别时间。如牛顿力学、相对论、量子力学F=mdr/dt 把t t，方程形式不变，对时间反演对称，意味时间无方向性,演化物理学：时间不再是描述系统运动的外在参量，而是和系统的演化相联系的，从而是有物理内容的时间。热力学中的傅立叶方程,T(xt),t,=,-,T(xt),x,把t t，方程形式变化，时间反演不对称或对称性破缺，意味时间方向性,在科学史上，有许多科学家都把不可逆性看作是近似的结果，或看作主体观点向物理世界的入侵。例如，爱因斯坦认为，不可逆性只是一种幻觉，一种主观印象，他说：“在物理学的基本定律中没有任何不可逆性，你必须接受这样的思想：主观的时间，连同它对现在的强调，都是没有任何客观意义的。”“就我们这些受人们信任的物理学家而言，过去、现在和将来之间的区别只是一种幻觉，然而，这种区别依然持续着。”玻恩也曾经断言：“不可逆性是无知介入物理学基本定律的后果。”,我们越是深入地分析时间的自然性质,我们就越加懂得时间的延续性意味着发明,就意味着新形式的创造,就意味着一切新鲜事物连续不断地产生.普里高津,实际上，自然界根本没有绝对的、无条件的可逆变化，可逆只是一种理想化的产物，是在略去某些变化不计的情况下的一种科学抽象。例如，只有忽略掉磨擦，才有理想的单摆，只有忽略其他天体对地球的影响，以及地球本身的复杂性，才有严格周期性的地球公转；只有忽略掉热的耗散，才有理想的卡诺循环。,但对于具体的过程来说，不可逆过程也往往包含着某些可逆的因素 功热转化在能量品位上是不可逆的，但转化能力却有可逆性；化学反应在总体上是不可逆的，但生成物依然可以复原为反应物；生长发育和衰老是不可逆过程，但机体的协调性和组织性却经历着由低到高和由高到低的过程,也许是基于这种考虑，普里戈津强调，无论可逆或不可逆都不是唯一普适的过程，在一个多元化的世界中，可逆性与不可逆性是并存于现实之中的。因此，对我们来说，重要的不是找出简单纯粹的可逆性与不可逆性，而是要探讨现实事物中究竟包含哪些可逆与不可逆的因素，它们对物质世界的演化发展起着怎样的作用。,（二）自然界演化的方向性：进化或退化1概念进化一般是指物质客体演化中由无序到有序、由低序到高序的趋势和过程或复杂性和多样性的增长。退化般是指物质客体演化中由有序到无序、由高序到低序的趋势和过程。序是对系统内部各要素之间的联系及演化过程性质的描述，它表征着系统的组织程度。度量参量：熵、信息量、序参量,热力学对演化过程的揭示：卡诺原理：温度均衡过程必导致做功可能性的丧失热力学第二定律：汤姆逊：不能从单一热源取热全部转化 为 功而不产生其它影响。克劳修斯：热不可能从低温物体流向高温物体而不产生其它影响,2 科学理论对时间箭头指向的回答,可以证明，只要有热量从高温物体流向低温物体，系统的熵就会增加。熵的变化就成为可逆过程与不可逆过程差异的一种判据。用熵表述为：一个孤立系统的熵总趋于增大（熵增定律）,用熵表述为：一个孤立系统的熵总趋于增大（熵增定律）熵：本义是表征系统的状态 宏观意义表征系统能量分布的均匀程度（能量平均状态是熵值达到最大的状态）微观意义表征系统内部粒子的无序程度,考察热力学能量从有效到无效状态的转化从较高集中程度向较低集中程度的转化从有序状态向无序状态的转变,熵的概念使热力学第二定律超出于热力学被推广到更加广泛的领域。熵理论在物理学中第一次真正触及到自然界发展的不可逆性问题,熵理论运用于整个宇宙，提出以熵理论为基础的宇宙理论。赫尔姆霍兹提出宇宙热寂说：宇宙不断变冷（或热），所有有用的能量最后都转化为热，宇宙最终要处于温度均匀的状态，所有的自然过程都将停止。宇宙的热寂相当于永恒的宁静。一旦宇宙达到热寂，宇宙将呈现一幅惨淡的景象,能量在那里还是有的，但它已经丧失了它全部的转化能力，它已经不能迫使宇宙工作，我们将停留在死寂的但可能是温暖的宇宙中。琼斯 在一个非常真实的意义上，我们都是这个在劫难逃的星球上的失事船只中的旅客。-维纳,生物进化论的演化方向：从简单到复杂 对热力学第二定律与生物进化论的矛盾的解决,麦克斯韦妖的提出试图解决两者的矛盾,齐拉德证明妖是一个有智力的存在物，妖的能力的获得涉及信息的交换、传递和熵的变化提出负熵 的概念 薛定谔：一个开放系统，能够不断的从外界获得并积累能量，即能产生负熵。有机体如此,dS=deS+diS式中，deS称熵流，可为正，也可为负，也可为零，diS是内部的熵产生，这部分绝对不会为负，即diS0。孤立系统 des0，dsdis0，熵增 封闭系统 des0，ds0，熵增开放系统 des0，且desdis，则ds0 熵减,耗散结构理论,在自然界中进化和退化这两种演化方向都存在它们都具有一定的普遍性，但都不是唯一普适的现象。,3 进化和退化的统一性 进化与退化相互包含以进化为主的过程往往内在地包含着退化。同样，以退化为主的过程也常常内在地包含着进化。进化与退化同存共生进化与退化常常是同时存在和同步发生的。它们往往是一个过程的两个方面。,进化与退化的相互交替 进化与退化往往是交替进行相互转化的。进化过程在一定条件下会转入退化。退化过程在一定条件下也可以转入进化。,世界图景的多元格局,无时间性图景,有时间性图景,向高熵发展,向低熵发展,近代形而上学自然观极力把自然界描述为一架机器，靠“第一次推动”开始运转，其发生和发展的根据和动力都是在外部，没有外来动力它根本不会发生变化。如果自然界的演化是他组织的，如果自然界的各种物质系统的形成是外界强加给自然界的，那就必然会追溯到“全知全能的上帝”，乞灵于神明的主宰了。而辩证唯物主义自然观则认为，自然界的演化是“自己运动”的结果，是事物的自身矛盾的表现，自组织性是自然界各种演化过程的本质属性。正是在这一点上，两种演化观形成了明显的分野。,（三）自然演化的自组织机制 非平衡自组织理论关于系统走向有序即系统形成有序结构的根据和条件的论述，对于理解一般进化的条件是极有意义的耗散结构理论,形成的条件(1)系统处于远离平衡的状态。(2)系统必须是一个开放系统，即系统内外环境之间要有物质、能量、信息的交换与流通，并且必须使系统从外部输入的负熵流绝对值大于系统内部的熵产生，从而使系统的熵逐步减小（3）形成有序结构的各要素之间存在着非线性的相互作用。,这种相互作用使各要素间产生l相干效应与协调动作，从而可以使系统从杂乱无章变为井然有序。l分支效应 使系统产生多个可能的分支在一个确定参量下，线性方程只有一个特解，非线性方程在一个确定的参量下，可以同时有多个特解，对应于系统的多个定态l 产生临界效应,(4)涨落是系统进化的诱因 非线性相互作用使系统演化产生多个可能的分支，面临多向选择，那么，怎样才能完成对不同演化途径的选择，究竟哪一种演化途径才能成为现实？这关键的一步是通过随机的涨落来完成的。所谓涨落，是指系统中某个变量或行为对统计平均值的偏离。,系统中存在涨落是不可避免的，它是一切实际系统固有的特征。比如流体中液滴的随机运动；原子的受激跃迁和自发辐射；反应物浓度的随机波动等。这些涨落可由系统内部的不规则运动引起，也可由环境不可控的干扰引起。,“涨落导致有序”涨落所起的作用与系统所处的状态有关。当系统处于稳定时，涨落还仅仅是一些小的干扰而已，它会由于系统自身的抗干扰能力而逐步衰减，从而使系统回到原来的状态。但是，如果系统处于远离平衡的不稳定态，即在临界点附近，微小的涨落才会得以放大，变成具有宏观尺度的“巨涨落”，从而使系统一下子跃迁到一个新的有序状态，这就是“涨落导致有序”的情况。,“涨落导致有序”的这种作用表明了进化是一个偶然性与必然性相互影响的过程。在靠近临界点的地方，系统呈现出很大的起伏，系统好象在各种可能的演化方向之间“犹豫不决”。一个小的起伏可以引起一个新的变化，它将剧烈地改变宏观系统的整个行为。,（5）正反馈推动系统走向有序。负反馈往往会使系统的变化衰减，而正反馈则会使系统的变化被放大和加剧，从而推动系统的质变，加速系统自复制自组织的过程，使要素微观协同产生出宏观秩序。,耗散结构机理图,结构,功能,涨落,非平衡自组织理论的这些成果，对如何一般地理解进化的条件和根据提供了有益启示 系统中的相互作用是系统进化的基本根据外部获得物质和能量是系统进化的基本条件 内部涨落是系统进化的直接诱因,在与环境的交换中，通过自组织形成耗散结构，即远离平衡的非线性区形成的，并且以能量的耗散来维持自身稳定性的，不以外界的微小扰动而消失的稳定的宏观有序结构。如贝纳德花纹,耗散结构：,退化是物质系统演化的另一种方向和趋势。系统为什么退化？这同样是所有演化理论应该回答的一个问题。关于孤立系统的退化，显然可以用熵增规律进行解释。但是，关于开放系统的退化又如何解释呢？当代混沌学、非线性科学等系统科学的研究，为我们了解从有序向无序的转化开启了一个窗口。,通往混沌的道路 一个非线性系统从有序态通往混沌的道路有许多条，目前研究得比较充分的主要有以下三条：,（1）倍周期分岔 系统运动变化的周期行为是一种有序状态。但在一定条件下，系统经过周期加倍，会逐步丧失周期行为而进入混沌。,0,N,混 沌 区,（2）阵发混沌 阵发混沌是指系统从有序向混沌转化时，在非平衡非线性的条件下，某些参数的变化达到一定的阈值时，系统就会出现时而有序、时而混沌的随机振荡。有关参数继续变化，整个系统会由阵发混沌进入完全的混沌。阵发混沌是非平衡过程进入混沌的又一条道路。,（3）茹勒泰肯道路当系统内有不同频率的振荡互相耦合时，系统就会出现新的耦合频率的运动。混沌状态可以看做有无穷多个频率耦合的振动现象，而这无穷多个频率耦拿振现象的出现，并不需要一个数量上的累积叠加。实际过程是，只要系统出现了三个互不相关的频率耦合时，系统就必然形成无穷多个频率的耦合。所谓茹勒泰肯道路，就是指只要系统有三个以上的频率互相耦合时，系统就出现混沌的现象。,（四）自然系统演化的基本方式1分叉：稳定性和不稳定性无论进化或退化，都显现为从一种稳定性向另一种稳定性性的运动，新的稳定性是在旧的稳定性失稳，系统瓦解后，重新建立起来的。2突现：突发性、间断性和不可预测性分叉理论说明，在演化过程中，从原有的稳定态向新的稳定态过渡，在时间轴上是一个点或一个极小的区域，也就是以突变的方式发生的。,3“内在随机性”：确定性和随机性（必然性和偶然性）,（五）自然界循环发展的无限性1 恩格斯关于物质永恒循环的思想 量和质两个方面去把握运动转化的守恒性。2自组织和混沌理论3现代宇宙学对宇宙未来演化趋势的推断,46,宇宙热寂说：宇宙不断变冷（或热），所有有用的能量最后都转化为热，宇宙最终要处于温度均匀的状态，所有的自然过程都将停止。,