自然界的存在与演化ppt培训课件.ppt

第二讲、自然界的系统存在,第1节. 自然界的系统性存在,第2节. 自然界的演化,第3节.人与自然界,(一)物质形态的差异性与多样性,自然界的物质不仅具有客观实 在性和统一性，而且其形态是千 姿百态、无限多样的，同时，这 种物质形态的差异性和多样性也 是其统一性的前提条件第1节、自然的存在,1、根据能否自我新陈代谢和遗传变异,据此可以把自然界中各种各 样的物质形态划分为：非生命 世界和生命世界1)非生命世界,1)宇观世界中有：星云、行星、恒星、星系、星系团、超星系团、类星体、总星系等不同的物质形态2)宏观世界包括：有机物、无机化合物(100多万种)、单质等形式3)微观领域中有：110多种元素；400多种基本粒子(含两大类：轻子类，包括光子族和轻子族；重子类，包括介子族和重子族)2）生命世界,从生物大分子、细胞、微生物到植物、动物、生物圈更是五彩缤纷、形态万千目前，人们已发现其存在的动物(含昆虫)就有150多万种；植物30多万种；微生物8～9万种2、依据不同的物质聚集状态,据此自然界的物质形态可以划分为：固态、液态、气态；等离子态；超密态；真空场 反物质(其根据是所有的基本粒子都有反粒子)。

二)自然界的物质统一性,自然界的物质形态尽管多种多样，各不相同但不同形态的物质客体又具有统一性,1、化学元素上的统一性,经光谱分析发现宇宙万物在化学元素上具有统一性：其一，宇观世界都是由在地球上均可找到的化学元素所组成；其二，无机物与生命物质在化学成分上也有着同一性； 最后，对微观领域物质形态统一性的论证已深入到基本粒子层次，而且在基本粒子之间也有着相互转化2、物质基本形态上的统一性,自然界的物质形态可归结为实物和场两种基本形态，其间存在着统一性一方面，实物与场之间相互联系，不可分割，有实物存在就有实物之间相互作用的场，任何场都是某种实物之间的相互作用另一方面，实物与场之间在一定的条件下可以相互转化如电子和正电子相遇时可“湮灭”而转化为光子，即转化为电磁场；反之，在核子场中光子的能量足够大时，光子也可以转化为正、负电子3、质能守恒定律,质量守恒定律和能量守恒与转化定律也是自然界物质形态统一性的一个有力证据核物理在研究核聚变反应过程中，发现有“质量亏损”的现象质量亏损”并不是质量真的丢失了，而是指静止质量的减少，但与此同时运动质量则相应增加，或实物状态的物质以能量的形式转化成场状态的物质，亏损的静止质量转化成场的质量，所以整个系统的总质量仍然守恒。

这种守恒通常表现为质能守恒二、自然界物质系统的整体性,整个自然界中的各种物质客体，从微观粒子到宇宙天体，从生物大分子到整个生物圈，无不以系统的方式存在着系统是由若干相互联系、相互作用的诸要素所组成的具有一定结构和功能的有机整体，是自然界的一种根本属性和存在方式1、整体性,所谓整体性是指物质系统所具有的不可还原的整体性质，即作为物质系统的整体，出现了它的组成部分所没有的性质或者失去了组成部分所具有的性质物质系统的“整体”与“堆”有着显著的区别系统的整体性是系统中整体与部分之间非加和性关系的表征,2、整体与部分的关系,整体与部分的关系包括：加和性与非加和性关系两种所谓加和性关系，是指各部分可以用简单相加的办法逐渐建立整体的特性，即整体的特征能够分解为各个要素的特征之和但由各部分之间的相干性造成的非加和性关系的存在，却使系统出现其组成部分所没有的新属性，使系统与其构成要素之间出现质的差异相干性是指一种耦合关系耦合各方经过物质、能量、信息的交换而彼此约束、选择、协同和放大约束和选择意味着耦合各方原有自由度的减少乃至部分属性的丧失；协同和放大意味着耦合各方在一种新的模式下协调一致地活动，其原有的属性可以被拓宽放大。

它们交错重叠在一起，共同导致属性不可分割的整体的形成非加和性关系成因例证,在一个原子中，原子核与电子之间的制约使电子受到时空状态、随机性、自由度等方面的约束；由于约束，排除了一部分可能的状态，保留了另一部分可能的状态，这便意味着选择，最终使得核与核外电子协同构成原子，使原子具有了金属性、非金属性等原子核与核外电子所不具有的新属性如果整体由于部分的相干性出现新属性，则整体(已成为系统)在相关的属性上，便表现出非加和性这种非加和性特征表明，物质系统的整体特性既不能归结为它的组成部分的特性，也不是其组成部分的简单“堆积”它所反映的是某种具有新质的联系，是标志物质系统具有整体性的一种必不可少的联系方式,三、自然界物质系统的稳定性,物质系统的稳定性是指物质系统在一定环境条件下能够保持某种状态的特性，它体现了物质系统与环境的相互作用关系依据系统与环境的关系，物质系统可以分为孤立、封闭和开放系统三类孤立系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换；封闭系统与环境之间仅有能量交换，而无物质交换；开放系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换在这三类系统中，开放系统具有更大的普遍性1、系统稳定性的衡量标准,系统的稳定性可通过涨落衡量。

系统的状态变量对平均值的一定偏离或起伏即涨落只有经受涨落后能恢复自身状态的物质系统，才有存在的可能这种对涨落的不变性就是系统的稳定性然而，并非系统的每种状态都是稳定的按照对涨落的不同反应可以区分出三种状态：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；不稳定态——在涨落下即行消失的状态2、系统的稳定性与耗散结构,物质系统的稳定性的产生和耗散结构的存在是密切相关的一个远离平衡态的开放系统通过不断与外界交换物质与能量， 在外界条件的变化达到一定阈值时，可能从原来的无序混乱状 态，转变为一种时空或结构有序的新状态，这种有序状态需要不 断地与外界交换物质和能量才能维持，并保持一定的稳定性 这种在远离平衡情况下形成的新的有序结构，称为“耗散结 构” 耗散结构作为一种时空有序结构，正是在一个自我保持 和自我修复的系统中维护各部分之间关系的一种特定构型因而 其存在就标志着系统处于“稳定状态” 耗散结构的产生过程也 是一种自组织形成的过程，其形成机制在一定程度上反映了系统 稳定性产生并得以保持的内在原因,3、系统稳定性的相对性,物质系统的稳定性是相对于一定范围而言的超出这个范围， 原有的稳定态就会失稳，涨落将支配系统的行为。

当这种涨落被 一定条件所巩固时，就会出现新的稳定态即随着外界控制参量 的变化，系统会经历稳定—失稳—再稳定的演化历程普利高津提 出的结构—功能—涨落图(见下图)，就是这种过程的形象表述按 这个图式，随机涨落会导致系统内部机制的改变(普利高津称这 种机制为“功能”)如果这种改变不是发生在临界点附近，那么 系统的结构会平息涨落，系统依然是稳定的如果涨落被放大到 临界点附近，结构无法调整这些机制，稳态将转化为失稳，宏观 时空结构也会发生变化而在变化了的时空结构中，又会有新的 涨落普利高津结构—功能涨落图,（决定论的）功能 结构涨落（随机的）,四、自然界物质系统的层次性,一个较为复杂的系统都是按层次结构组织起来的，即每个物质系统都是较高一级系统的一个要素，同时它作为较高一级系统的要素本身，通常又是较低一级的系统，这样便形成了自然界物质系统的层次性（如下图）,图2-2非生命世界物质层次 图2-3生命世界物质层次,总星系 ↑星系团 生物圈↑ ↑ 星系 生态系统 ↑ ↑ 恒星 生物群落 ↑ ↑ 行星(包括卫星) 种 群 ↑ ↑ 生物个体 地面上的宏观物体 ↑,图2-2非生命世界物质层次 图2-3生命世界物质层次,地面上的宏观物体 生物个体 ↑ ↑ 分子 系统↑ ↑ 原子 器官↑ ↑ 原子核 组织 ↑ ↑基本粒子 细胞 ↑ ↑夸克 生物大分子,(一)层次结构的基本特征,层次结构指的是，若干要素经相互作用构成的系统，再通过新的相互作用而构成新系统的逐级构成的结构关系。

在这种关系中，参与构成的系统称为低层系统，构成后的新系统称为高层系统1、构成性：层次结构特征之一,层次结构的一个显著特征是，低层系统对高层系统具有构成关系：低层系统必须是高层系统的构成部分，而高层系统也只能以低层系统为存在基础层次结构中的构成性关系是物质系统之间的纵向的或垂直的有序关系，即子系统与母系统、各个子系统之间的相互包含和相互作用，它反映出不同层次之间是相互依存的2、相干性：层次结构特征之二,层次结构中的相干性关系是物质系统间的横向关系只有通过相干性关系，它们才能结合起来构成高一级系统，导致纵向层次间质的差异随着每一个新物质层次的形成，总会有新质的突现和新功能的问世相干性关系所造成的新层次往往在自身结构上更简单一些，从而为低层系统能够并入高层次的活动模式创造条件二)层次结构的结合度,由层次结构的基本特点决定了其结合度的差异性和递减性等特征一般随着层次由低向高推进，结合的紧密程度由大到小而递减：从将夸克结合为基本粒子的力量到将中子和质子结合为原子核的核交换力；从将原子核与电子结合 的电磁力到将原子结合为分子的共价键或离子键；从将化学分子结合为生命大分子到将多细胞结合为生命整体；直至维持生物群落和生态系统的力量，不但具有巨大的强弱差异，而且是依次递减的。

,(三)层次结构的因果链,层次结构中存在着双向因果链：上向因果链和下向因果链其一，低层系统及其相干性关系作为原因，可以在高层系统中引起一定的结果，决定高层系统的特点和规律，此乃其上向因果链其二，高层系统对低层系统的支配、影响和限制，这是其下向因果链这种双向因果链的存在，不仅造成了层次之间的差别，也沟通了层次之间的联系：上向因果链的存在，提供了从低层次规律入手认识高层次现象的可能性；而下向因果链的存在，则保证了从高层次规律出发对加入高层系统的低层现象进行解释和预言的可能性第2节 自然界的演化,自然界不仅存在着，而且生成着并消逝着生成与消逝的不断更替，便构成了自然界的演化链条要揭示自然界的奥秘，展示自然界的图景，除了把自然界作为一种存在来把握，还必须把自然界当作一种过程来理解,一、自然界的演化过程,根据目前已确认的科学事实和比较公认的科学假说，我们可对自然界的演化过程作出一个大致的描述,(一)宇宙和天体的起源与演化,1、宇宙起源与大爆炸假说关于宇宙起源的认识主要来自于伽莫夫“大爆炸假说”及其修正而形成后的宇宙的演化先后经历了基本粒子形成阶段、辐射阶段或核合成阶段、实物阶段2、恒星演化与弥漫说恒星的演化，按目前广为接受的弥漫说，一般要经历以下几个阶段：引力收缩阶段(包括快收缩阶段和慢收缩阶段)：主序星阶段；红巨星阶段；脉动阶段；爆发阶段和高密阶段等。

在恒星演化的特殊阶段和特定条件下，在宇宙之一隅出现了太阳系以及作为太阳系一个成员的地球浩瀚的宇宙,一、宇 宙 的 演化 ─ 由 小 到 大,彗星 (Comet) — 數十公里 小行星 (Asteroid) — 數百公里 衛星 (Satellite) — 數千公里 行星 (Planet) — 數萬公里 恆星 (Star) — 數十萬公里 星雲 (Nebula) — 數光年 星團 (Cluster) — 數光年─ 疏散 (Open), 球狀 (Globular),一、宇 宙 的 演化 ─ 由 小 到 大 (續),銀河 / 星系 (Galaxy) — 數十萬光年 星系團 (Cluster of galaxies) — 數百萬光年 超級星系團 (Supercluster of galaxies) — 數億光年 宇宙 (Universe) — 一百四十億光年 掌管所有「子宇宙」的「母宇宙」？,。