自然辩证法第一编自然哲学.ppt
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1、自然辩证法概论,西安交通大学自然辩证法概论课程建设组二九年十月,第一编 自然哲学第三章 自然演化机制与可持续发展,第一节 自然演化的一般机制一、热寂说与麦克斯韦妖,1.关于宇宙演化方向和终态的“热寂论”模型,1850年,克劳修斯提出热力学第二定律:热量总是从高温物体传到低温物体,不能作相反的传递而不带有其它的变化。1864年,他又引入“熵”概念对热力学第二定律予以重新表述:在孤立系统内实际发生的过程,总使整个系统的熵值增大,直到熵最大的平衡态为止。克劳修斯在提出热力学第二定律的同时,又把这一定律所得出的结论推广了来解释整个宇宙的演化,由此提出了个关于宇宙演化的方向和终态的理论模型,这便是那个直
2、到今日还为众多科学家们奉为金科玉律的著名的“宇宙热寂论”。,2.生物进化论与宇宙热寂论的对立,1859年,达尔文在其物种起源一书中根据大量考察资料详细阐述了一种生物进化的理论,这种理论认为:生物不是从来就有,物种是进化的,地球生物界是一个历史有序的统一体。生物产生和进化是一个由无序到有序,由低级的单细胞生物向高度有序的人类社会进化的过程。生物进化的结果导致生物种类的繁多,功能和结构的复杂,这是一个有序度增加的过程。宇宙热寂论和生物进化论在自然演化方向问题上的这种对立,长期以来并未引起更大的争论。,3.麦克斯韦妖,1871年,麦克斯韦在他的热的理论一书的最后一章热力学第二定律的限制中,提出了一个
3、与热力学第二定律相悖的假说。他假想存在这样一个神通广大的“妖精”,它能跟踪充满容器的每个气体分子的运动。把这个容器用一道隔板分为A,B两个部分,并在隔板上安装一个阀门,当阀门打开时,单个气体分子可以从容器的一部分经过阀门进入另一部分去。假设这个容器起先充满了一定温度的气体,按照热的运动论,一定的温度对应于分子的一定的平均速度。因为气体分子的运动具有随机性,有的分子的速度将大于平均值,有的则将小于平均值。那么,通过在适当时刻打开隔板上的阀门,妖精就能让快的分子从A进入B,慢的分子从B进入A,结果不须耗费能量,B部分的温度就会上升,A部分的温度就会下降,按照麦克斯韦的这一假说,只要系统中存在这样一
4、个能够适时打开阀门开关的“妖精”就能增大系统内部的温度差,从而导致系统总熵的减少。后人将这个假想的“妖精”称为“麦克斯韦妖”。,然而,在系统处于孤立状态的情况下,系统内部的微观起伏总是十分有限的,它根本不可能改变系统服从热力学第二定律的总体模式。,二、进化与广义热力学第二定律,1.开放的体系,在科学进入20世纪40年代之后,在麦克斯韦妖所引起的科学界的困惑长达70多年之后,随着薛定锷的生命的负熵论、维纳的信息的负熵论,以及申农的通讯信息论的相继问世,科学的视野逐渐从对孤立体系的研究转向了对开放体系的研究。科学视野的这种转换,使科学家们逐渐地把熵、智能、信息、负熵这样一些概念联系了起来,从而也便
5、解开了作祟多年的“妖精”之谜。这样,科学界已经清晰地看到了克劳修斯热力学第二定律的界限:它只适用于孤立的体系;科学界也已经清晰地看到了麦克斯韦妖可以进行长期工作的条件:开放的体系。,2.广义热力学第二定律,普里戈金指出,一个系统的熵变是由两方面的因素引起的,一个因素是系统与环境在相互作用中交换的熵(deS),称外熵流;另一个因素是系统内部自发产生的熵(dis),称内熵变。据此,他给出了一个系统的总熵变(dS)公式:dS=deSdis 在孤立系统中:deS=0,所以dSdis0,这就是克劳修斯提出的(狭义)热力学第二定律。,在开放系统中:deS0,系统的总熵变便会出现如下4种情况:当des0(即
6、外熵流为正值),ds0,系统加速走向无序化;当des0,系统仍沿熵增方向走向无序化;当desdis时,则ds0,系统将会沿熵减方向走向有序化。显然,克劳修斯的热力学第二定律只是广义热力学第二定律在孤立系统中的一个特例。正是普里戈金提出的广义热力学第二定律,揭示了在适宜开放的背景下,系统沿着熵减方向走向有序化进化的必然性。,三、自然演化的自组织机制,1.自组织的概念,自组织是相对于它组织而言的。它组织:从系统外部直接引入模式信息,并按此模式建构系统模式的过程。理解它组织概念的关键在于:模式是由外部输入的,而不是由系统内部自发产生的。自组织:在开放背景下,系统自发形成内部有序结构的过程。理解自组织
7、概念的关键在于:模式是内部自发产生的,而不是由系统外部输入的。事实上,任何新的有序结构模式的生成都是通过自组织实现的。自组织就是新模式创生的一般机制。,(三)自组织现象的基本特征,1.动态性或微观可变性,两类有序结构:静态的:微观粒子处于静态有序的空间排列(死结构);动态的:体系的宏观有序结构是由组成体系的微观粒子的运动或不断更替来维持的。自组织现象都是动态的有序结构。所谓自组织现象就是在组构要素不断运动的变换中维持或发展着的体系整体层面的有序结构。如,江河中的旋涡、贝纳德流、人体的模式。,2.适宜的开放性或非平衡约束,按照耗散结构论的相关原理,适宜的开放程度是造成外部环境对系统施加非平衡约束
8、的必要条件。约束是指环境对系统施加的持续作用,它不同于瞬时存在的外部扰动。约束必然会引起系统的反应或响应,这就是适应。只有处于与约束适应的状态,系统才能保持或形成稳定的宏观结构。当外部约束改变,系统原状态不再适应时,系统便开始寻求新的状态,以适应改变了的约束。与零约束相适应的系统是宏观无序的平衡态,只有与适宜的强约束相适应的系统才能形成稳定的宏观有序结构。,3.长程相干或非线性,无序系统和静态有序系统中,其微观粒子间的相互作用都是“短程”的、随机的、非协同的,即其相互影响只分别发生在各个粒子之间,其距离是微观的。在自组织系统中,微观粒子间的相互作用则是“长程”的,即大量微观粒子的一致行动组成整
9、体的非线性稳定模式,以致造成在宏观上可以观察到的效果。,4.内随机性或自主不确定性,两种随机性:外随机性、内随机性。混沌理论揭示,只要确定论系统具有稍微复杂的非线性,就会在一定外部控制参数范围内产生出内随机性,由此类内在随机性所引发的系统未来演化的运动方式将是随机分岔的、不规则的、非周期的、异常复杂的。系统内随机性的产生是由组成系统的要素的自主运动,以及在此自主运动的基础上所产生的要素之间、要素与系统整体之间的随机互动造成的。内随机性根植于微观要素随机可变的复杂性的基础之上(蝴蝶效应)。,5.内反馈、信息网络与全息建构性,反馈是信息的传递和返回。一个完整的控制过程就是通过信息反馈来实现的。外反
10、馈:系统对环境的信息作用导致的环境有所改变的信息又反过来影响系统的行为;内反馈:系统内部的要素和要素之间、要素和系统整体之间所形成的相互作用信息反馈环路。系统要素的自主运动以及要素之间、要素与系统整体之间的随机互动必然会导致多层级的、多向的、复杂的内反馈环路。,复杂的内反馈环路活动进一步相互连锁所形成的整体性信息网络系统,构成了系统内部的整体非线性相互作用发生的机制。系统的整体性有理由被看成是一个特定的关系网络。复杂的内反馈环路的整体信息网络系统,导致了系统内在要素的整体协存共变性,运作机制的微观动态性、不确定性,以及系统与要素的双向建构与双重新质的超越。这同时也便就是系统整体新质涌现的全息映
11、射与建构。,6.复杂性,20世纪以前的科学崇尚“还原论”的科学纲领。这一纲领主张从构成事物的微观构件的性质的探讨中便可以透析出事物的本质;20世纪中叶以来兴起的系统科学强调了“整体主义(整体涌现论)”的科学纲领;20世纪中叶以来兴起的包括控制论在内的信息科学,借用信息、程序、反馈、调控、网络、全息等概念,强调了一种通过信息普遍联系、调控和综合建构的信息科学纲领;20世纪下半叶以来兴起的耗散结构论、协同学、突变论、超循环理论、分形与混沌理论,以及广义进化理论等则强调一种有序生成、维持和增长的自组织纲领;,20世纪最后20年来逐步引起关注的复杂性研究纲领则试图在一个更为综合的层面上将上述诸多研究纲
12、领有机统一起来。复杂性研究钢领更诸强调系统的内随机性、要素的自主性,以及系统与要素、系统与环境的既相互依赖又相对独立的特征,从而把“还原论”和“整体主义(涌现论)”、“决定论”和“非决定论”、内随机性和外随机性、内反馈和外反馈、要素和整体关系网络、质-能因素和信息因素辩证地统一起来。复杂性乃是建立在对自组织行为的其它诸多基本特征有机综合基础之上的、自组织行为所具有的一个更为本质而基本的特征。,(四)自组织行为的一般过程和机制,特定系统的创生和演化,大体需要经历分化、汇聚、成核、发育、复制、扩散、变异、选择、进化与毁灭等几个环节,通过对这些环节发生的内在机理的讨论可以揭示出自组织行为的一般过程和
13、机制。,1.分化,这是一个构成新系统的构件(要素)从原有系统的约束关系中游离出来,并获得自由的演化过程。这是在特定的环境信息的作用下,原有系统的信息编码构架、各类内外反馈环链失稳、解构的信息关联退耦过程。,2.汇聚,分化出来的构件,聚集达到一定丰度、展开相互的竞争或吸引,并进一步分化或类聚成团的演化过程。这是在特定环境信息作用下,试探新的信息编码构架模式,以及可能的多种信息编码构架模式、相应的种种内外反馈环链初步试探性建立的过程。,3.成核,这是一个在汇聚过程中形成的某一种或某几种构架被稳定化,并能为新系统的整体有序模式具体建构起到吸引中心作用、提供模版的演化过程。这是形成新系统的整体有序信息
14、编码构架模式的最初指示物或最初信息密码子创生的过程。如果最初形成的信息密码子种类不止一个,那么,在多个初始信息密码子之间将会展开竞争,其结果可能是只有某一种类的信息密码子被保存和发展起来,或者也可能在多个种类的信息密码子之间形成协同合作效应,从而建立起更为宏观规模的较为稳定的信息反馈链模式构架。,4.发育,这是一个按照先已建构起来的作为吸引中心的核的模版进一步生长或发展为新系统的整体稳定性结构框架的演化过程。该过程可以看成是由最初形成的信息密码子所规定的信息程序展开或表达为新系统的整体信息编码构架的过程。相应信息反馈链环的遍历性建立导致系统内部的各类要素都按照先已形成的“核”所指示的模式采取统
15、一的整体协同或同步化的合作(随模协动)。,5.复制与扩散,这是一个系统按照自身模式再行制造一个同样的系统的演化过程,这一过程乃是有生命现象进行种系遗传的一般演化方式。该过程正是系统的信息编码构架通过信息自复制的环节,保持和延续自身信息模式、使自身信息模式在数量上进一步扩张的信息活动过程。通过自复制,在随机过程中偶然产生的生命的最初结构获得了“一旦产生便永存”(艾根语)的量的不断繁衍和扩散。,6.变异,这是一个由于在复制过程中发生错误,进而导致与所复制模式不完全相同的新模式,亦即新系统产生的演化过程。该过程恰恰对应于通过复制错误所导致的原有信息编码构架被改变,新的信息编码构架被创生的信息活动过程
16、。由于内随机性的存在,变异将是生物演化中的一个必然现象。,7.选择与进化,新模式与原模式竞争的四种结果:1.新模式被淘汰;2.同旧模式并行独立发展;3.取代旧模式占据优势发展地位;4.与旧模式协同,构成更为稳定的规模较大的新系统。2和3可能构成进化事件,4则一定是进化事件。进化过程得以顺利进行的则正是适宜的环境信息对相应的信息编码构架所起的选择作用。“适者生存”正是在模式选择的层面上推动进化的。,8.新旧结构的交替,在自然演化的过程中,同一系统的内部可能存在着新旧结构交替的演化过程。如果新结构比旧结构更为有序则表现为系统的进化,反之则表现为系统的退化。系统整体结构一旦建立便倾向于保持稳定,这便
17、是一般系统所具有的“惯性”。“惯性”是一种保守的倾向,它有碍于进化的发生。系统要进化首先必须打破“惯性”,使系统原有结构失稳,这就要求系统必须具有某种产生新颖的机制。,导致原有结构失稳,引发探寻系统新结构模式的原因大致有三:一是原有的较为稳定的外部环境的改变;二是偶然的外随机性影响;三是系统内随机性的偶然作用。,内、外随机性的互动乃是探索和选择新结构的关键性因素。这便是自组织理论所强调的“涨落是系统有序演化的动力”。新的结构能否稳定持存则取决于新结构与外部环境的适应程度。稳定开放的环境背景条件便成了新结构能否稳定持存的选择因素。任何一个系统整体有序结构的稳定持存都必然一方面依赖于内部多层级的、
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