物质系统的层级结构.ppt

第三节第三节 物质系统的层级结构物质系统的层级结构 理解复杂系统的基本方式理解复杂系统的基本方式理解复杂系统的基本方式理解复杂系统的基本方式 一一一一个个个个较较较较为为为为复复复复杂杂杂杂的的的的系系系系统统统统都都都都是是是是按按按按层层层层次次次次结结结结构构构构组组组组织织织织起起起起来来来来的的的的，，，，即即即即每每每每个个个个物物物物质质质质系系系系统统统统都都都都是是是是较较较较高高高高一一一一级级级级系系系系统统统统的的的的一一一一个个个个要要要要素素素素，，，，同同同同时时时时它它它它作作作作为为为为较较较较高高高高一一一一级级级级系系系系统统统统的的的的要要要要素素素素本本本本身身身身，，，，通通通通常常常常又又又又是是是是较较较较低低低低一一一一级级级级的的的的系系系系统统统统，，，，这这这这样样样样便便便便形形形形成成成成了了了了自自自自然然然然界界界界物物物物质质质质系系系系统统统统的的的的层层层层次次次次性（如下图）性（如下图）性（如下图）性（如下图）总星系总星系星系团星系团星系星系恒星恒星行星行星地面上的宏观物体地面上的宏观物体分子分子原子原子原子核原子核（基本）粒子（基本）粒子夸克夸克非生命世非生命世界物质系界物质系统的层次统的层次宇观宏观微观生物圈生物圈生态系统生态系统生物群落生物群落种群种群生物个体生物个体系统系统器官器官组织组织细胞细胞生物大分子生物大分子生命世界的生命世界的基本物质系基本物质系统层次统层次( (一一) )层次结构的基本特征层次结构的基本特征 层层次次结结构构指指的的是是，，若若干干要要素素经经相相互互作作用用构构成成的的系系统统，，再再通通过过新新的的相相互互作作用用而而构构成成新新系系统的逐级构成的结构关系。

统的逐级构成的结构关系 在在这这种种关关系系中中，，参参与与构构成成的的系系统统称称为为低低层层系统，构成后的新系统称为高层系统系统，构成后的新系统称为高层系统 1 1、构成性：由下而上逐级构成、构成性：由下而上逐级构成 层层次次结结构构的的一一个个显显著著特特征征是是，，低低层层系系统统对对高高层层系系统统具具有有构构成成关关系系：：低低层层系系统统必必须须是是高高层层系系统统的的构构成成部部分分，，而而高高层层系系统统也也只只能能以以低低层层系系统统为为存存在在基基础 层层次次结结构构中中的的构构成成性性关关系系是是物物质质系系统统之之间间的的纵纵向向的的或或垂垂直直的的有有序序关关系系，，即即子子系系统统与与母母系系统统、、各各个个子子系系统统之之间间的的相相互互包包含含和和相相互互作作用用，，它它反反映映出出不不同层次之间是相互依存的同层次之间是相互依存的 多极构成、多级环境、多级功能多极构成、多级环境、多级功能2 2、相干性：层层相干，层层有新质突现、相干性：层层相干，层层有新质突现 层层次次结结构构中中的的相相干干性性关关系系是是物物质质系系统统间间的的横横向向关系。

关系 处于同一层的子系统之间相互限制、相互协同处于同一层的子系统之间相互限制、相互协同 只只有有通通过过相相干干性性关关系系，，它它们们才才能能结结合合起起来来构构成成高高一级系统，导致纵向层次间质的差异一级系统，导致纵向层次间质的差异2 2、相干性：层层相干，层层有新质突现、相干性：层层相干，层层有新质突现 随随着着每每一一个个新新物物质质层层次次的的形形成成，，总总会会有有新新质质的的突突现和新功能的问世现和新功能的问世 层层级级的的增增加加以以结结构构的的简简化化为为代代价价，，为为底底层层系系统统并并入高层系统的活动模式创造条件理解复杂现象入高层系统的活动模式创造条件理解复杂现象 逐级构成，逐级递进；逐级相干，逐级集约逐级构成，逐级递进；逐级相干，逐级集约 （依赖于层级结构中（依赖于层级结构中结合度结合度逐级递减）逐级递减） ( (二二) )层次结构的结合度层次结构的结合度 1 1、结合度极其递减趋势、结合度极其递减趋势 结结合合度度：：泛泛指指相相互互作作用用的的强强度度，，可可以以用用势势能能、、结合能、键合力、信息量加以计量。

结合能、键合力、信息量加以计量 交换物质能量交换物质能量交换物质能量交换物质能量------------空间临近程度空间临近程度空间临近程度空间临近程度 交换信息交换信息交换信息交换信息 ----------------压缩时空压缩时空压缩时空压缩时空  一一般般随随着着层层次次由由低低向向高高推推进进，，结结合合的的紧紧密密程程度由大到小而递减：度由大到小而递减： 从从将将夸夸克克结结合合为为基基本本粒粒子子的的力力量量到到将将中中子子和和质质子子结结合合为为原原子子核核的的核核交交换换力力；；从从将将原原子子核核与与电电子子结结合合 的的电电磁磁力力到到将将原原子子结结合合为为分分子子的的共共价价键键或或离离子子键键；；从从将将化化学学分分子子结结合合为为生生命命大大分分子子到到将将多多细细胞胞结结合合为为生生命命整整体体；；直直至至维维持持生生物物群群落落和和生生态态系系统统的的力力量量，，不不但但具具有有巨巨大的强弱差异，而且是依次递减的大的强弱差异，而且是依次递减的。

2、结合度递减的存在论意义、结合度递减的存在论意义•层级结构存在的必要条件层级结构存在的必要条件 只有结合度递减，下层子系统才会以单体稳定的只有结合度递减，下层子系统才会以单体稳定的只有结合度递减，下层子系统才会以单体稳定的只有结合度递减，下层子系统才会以单体稳定的方式发生相干效应，从而造成上层系统的出现方式发生相干效应，从而造成上层系统的出现方式发生相干效应，从而造成上层系统的出现方式发生相干效应，从而造成上层系统的出现•上层系统稳定存在的范围较下层系统狭小上层系统稳定存在的范围较下层系统狭小•低层系统在宇宙中的分布远远超过高层系低层系统在宇宙中的分布远远超过高层系统3、结合度递减的进化论意义、结合度递减的进化论意义•复杂物质形态大多是在稳定低层系统的基础上经复杂物质形态大多是在稳定低层系统的基础上经复杂物质形态大多是在稳定低层系统的基础上经复杂物质形态大多是在稳定低层系统的基础上经过聚合方式产生的过聚合方式产生的过聚合方式产生的过聚合方式产生的•选择聚合方向，提供聚合选择聚合方向，提供聚合选择聚合方向，提供聚合选择聚合方向，提供聚合“ “原料原料原料原料” ”，加快聚合速，加快聚合速，加快聚合速，加快聚合速度度度度 高层系统解体，低层子系统的稳定性依然存在高层系统解体，低层子系统的稳定性依然存在高层系统解体，低层子系统的稳定性依然存在高层系统解体，低层子系统的稳定性依然存在 进化速度快，成功几率高进化速度快，成功几率高进化速度快，成功几率高进化速度快，成功几率高 （组合式家具，拆分拼装）（组合式家具，拆分拼装）（组合式家具，拆分拼装）（组合式家具，拆分拼装）•层级结构普遍存在层级结构普遍存在层级结构普遍存在层级结构普遍存在 ；多层级的层级结构罕见；多层级的层级结构罕见；多层级的层级结构罕见；多层级的层级结构罕见 （三）层级结构中的信息流（三）层级结构中的信息流•信息及其逐级集约信息及其逐级集约•信息逐级集约与行为逐级控制信息逐级集约与行为逐级控制•信息逐级集约与问题逐级简化信息逐级集约与问题逐级简化信息及其逐级集约信息及其逐级集约•信息信息申农：狭义的信息申农：狭义的信息 消除认识上的不确定性消除认识上的不确定性维纳：控制论角度维纳：控制论角度 组织性的量度组织性的量度 负熵负熵普里戈金：（广义的信息普里戈金：（广义的信息 ）） 相干性相干性 对环境的适应对环境的适应信息论的创始人：数学家申农•1948年，《贝尔系统技术杂志》发表申农的论文《通讯的数学原理》奠定了现代信息论的基础。

由于控制论，电子计算机和通信技术的相互结合，信息论正在获得迅速的发展特别是信息论与生物化学、分子生物学、计量社会学和计量心理学等领域相结合，使信息论成为现代科学问题的有力武器信息论的创始人：数学家申农　　申农认为，信息论的基本内容，就是研究信源、　　申农认为，信息论的基本内容，就是研究信源、信宿、信道和编码问题，他对信息论的贡献很多，信宿、信道和编码问题，他对信息论的贡献很多，主要有五点：一是他第一次从理论上阐明了通讯主要有五点：一是他第一次从理论上阐明了通讯的基本问题，提出了通讯系统的模型；二是提出的基本问题，提出了通讯系统的模型；二是提出了度量信息量的数学公式；三是初步解决了如何了度量信息量的数学公式；三是初步解决了如何从信息接受端提取信息源发来的消息的技术问题；从信息接受端提取信息源发来的消息的技术问题；四是提出了如何充分利用信道的信息容量，如何四是提出了如何充分利用信道的信息容量，如何在有限的信道中以最大的速率传递最大的信息量在有限的信道中以最大的速率传递最大的信息量的基本途径；五是初步解决了如何编、译才能使的基本途径；五是初步解决了如何编、译才能使信源的信息充分表达、信道的容量被充分利用的信源的信息充分表达、信道的容量被充分利用的问题。

问题 •逐级集约逐级集约逐级集约逐级集约 子系统之间的联系相对微弱子系统之间的联系相对微弱子系统之间的联系相对微弱子系统之间的联系相对微弱 进入上层的信息是集约了的信息，是与整体有关进入上层的信息是集约了的信息，是与整体有关进入上层的信息是集约了的信息，是与整体有关进入上层的信息是集约了的信息，是与整体有关的信息，而不包括仅与子系统内部活动有关的信的信息，而不包括仅与子系统内部活动有关的信的信息，而不包括仅与子系统内部活动有关的信的信息，而不包括仅与子系统内部活动有关的信息 高层系统形成所需要的信息条件不比底层系统严高层系统形成所需要的信息条件不比底层系统严高层系统形成所需要的信息条件不比底层系统严高层系统形成所需要的信息条件不比底层系统严格，反而较为宽松，也较易满足格，反而较为宽松，也较易满足格，反而较为宽松，也较易满足格，反而较为宽松，也较易满足 物质物质物质物质++能量能量能量能量++较少的信息较少的信息较少的信息较少的信息==聚合高层系统聚合高层系统聚合高层系统聚合高层系统信息逐级集约与行为逐级控制信息逐级集约与行为逐级控制•信息的逐级集约信息的逐级集约信息的逐级集约信息的逐级集约------------逐级控制逐级控制逐级控制逐级控制•控制等级控制等级控制等级控制等级 每个子系统独立消除内部行为的不确定性每个子系统独立消除内部行为的不确定性每个子系统独立消除内部行为的不确定性每个子系统独立消除内部行为的不确定性 子系统之间关系不确定性的消除子系统之间关系不确定性的消除子系统之间关系不确定性的消除子系统之间关系不确定性的消除•控制方式：控制方式：控制方式：控制方式： 集中控制集中控制集中控制集中控制 整体优化整体优化整体优化整体优化 时滞长时滞长时滞长时滞长 成本高成本高成本高成本高 应变差应变差应变差应变差 分散控制分散控制分散控制分散控制 整体协调差整体协调差整体协调差整体协调差 反映及时反映及时反映及时反映及时 灵活灵活灵活灵活 递阶控制递阶控制递阶控制递阶控制 取长补短取长补短取长补短取长补短信息逐级集约与问题逐级简化信息逐级集约与问题逐级简化•“黑箱化黑箱化” 把下层子系统的特征简化为把下层子系统的特征简化为内部约束条件内部约束条件•把上层系统的制约简化为把上层系统的制约简化为外部环境条件外部环境条件在神经心理学之前研究认识过程在神经心理学之前研究认识过程西蒙西蒙 信息集约化信息集约化内部参数（内部约束条件：黑箱）内部参数（内部约束条件：黑箱）•短时记忆容量短时记忆容量•短时记忆进入长时记忆的固结时间（短时记忆进入长时记忆的固结时间（5-8秒秒/块）块）•记忆的组织形式记忆的组织形式如何解释短时记忆容量有限•1956年，美国心理学家George A.Miller明确提出，短时记忆容量为7±2个组块。

•当外界信息通过感官进入记忆系统中的短当外界信息通过感官进入记忆系统中的短时贮存系统时需要对信息进行有意识的处时贮存系统时需要对信息进行有意识的处理实验表明：短时记忆贮存系统一般接理实验表明：短时记忆贮存系统一般接收收7+2个单位的量这个单位被称为个单位的量这个单位被称为“chunk”，即组块，它既可是单个字，也，即组块，它既可是单个字，也可以是词、词组，甚至是句子可以是词、词组，甚至是句子 如何解释短时记忆容量有限•心理学家通过实验得出结论：改变组块的心理学家通过实验得出结论：改变组块的容量可以增加记忆容量如果出示一级无容量可以增加记忆容量如果出示一级无关的汉字，学生大约能记住关的汉字，学生大约能记住5、、6个字，如个字，如果对汉字加以重组形成词，那么学生可以果对汉字加以重组形成词，那么学生可以记住记住5、、6个词，其中汉字的字数已超过个词，其中汉字的字数已超过5、、6个了因此要扩大短时记忆的容量，比如个了因此要扩大短时记忆的容量，比如如果要增加阅读速度，就应该以词组或短如果要增加阅读速度，就应该以词组或短语、句子为单位阅读语、句子为单位阅读 如何解释短时记忆容量有限•如何解释短时记忆容量有限这一短时记忆的特点如何解释短时记忆容量有限这一短时记忆的特点呢？呢？        1.Waugh1.Waugh、、NormanNorman和和AtkinsonAtkinson等倾向于从等倾向于从贮存贮存空间及其有限的槽道空间及其有限的槽道来说明。

来说明        2.Baddeley2.Baddeley等等(1975)(1975)认为短时记忆的容量取决认为短时记忆的容量取决于人在于人在2 2秒钟内能够复述的信息的数量秒钟内能够复述的信息的数量        3.Klatzky(1975)3.Klatzky(1975)木匠工作台原理木匠工作台木匠工作台原理木匠工作台既要放料又要工作，二者必然存在一个权衡关系，既要放料又要工作，二者必然存在一个权衡关系，短时记也是如此，它既要贮存，又要加工，实际短时记也是如此，它既要贮存，又要加工，实际上是一个工作记忆上是一个工作记忆 短时记忆信息缓冲原理•        短时记忆由若干槽道构成每一个槽道相当于一个信息短时记忆由若干槽道构成每一个槽道相当于一个信息通道来自感觉记忆的信息单元分别进入不同的槽道来自感觉记忆的信息单元分别进入不同的槽道缓冲器的复述性加工有选择地将槽道中的信息进行复述被冲器的复述性加工有选择地将槽道中的信息进行复述被复述的槽道中的信息将进入长时记忆中而没有被复述的复述的槽道中的信息将进入长时记忆中而没有被复述的槽道中的信息将被清除出短时贮存区而丧失槽道中的信息将被清除出短时贮存区而丧失。

        各槽道中的信息保持的时间是不一样的信息在槽道中各槽道中的信息保持的时间是不一样的信息在槽道中保持的时间越长，越有可能进入长时记忆中，也越有可能保持的时间越长，越有可能进入长时记忆中，也越有可能被来自感觉记忆的新的信息冲挤掉被来自感觉记忆的新的信息冲挤掉        相对而言，长时记忆才是一个真正的信息贮存库，相对而言，长时记忆才是一个真正的信息贮存库， 但但其中的信息也有可能因消退、干扰和强度丧失等原因而产其中的信息也有可能因消退、干扰和强度丧失等原因而产生遗忘           ( (四四) )层级间的因果链层级间的因果链 因果链：因果关系的传递方式因果链：因果关系的传递方式 长程链、复合链、反馈链长程链、复合链、反馈链 层次结构中存在着双向因果链：层次结构中存在着双向因果链： 其其一一，，低低层层系系统统及及其其相相干干性性关关系系作作为为原原因因，，可可以以在在高高层层系系统统中中引引起起一一定定的的结结果果，，决决定定高高层层系系统的特点和规律，此乃其统的特点和规律，此乃其上向因果链上向因果链。

 其其二二，，高高层层系系统统对对低低层层系系统统的的支支配配、、影影响响和和限制，这是其限制，这是其下向因果链下向因果链 上上向向因因果果链链的的存存在在，，提提供供了了从从低低层层次次规规律律入手认识高层次现象的可能性；入手认识高层次现象的可能性； 下下向向因因果果链链的的存存在在，，则则保保证证了了从从高高层层次次规规律律出出发发对对加加入入高高层层系系统统的的低低层层现现象象进进行行解解释释和和预言的可能性预言的可能性上向因果链与递进性解释上向因果链与递进性解释•递进性解释递进性解释 从低层系统的规律出发，考虑低层系统过从低层系统的规律出发，考虑低层系统过渡到高层系统的相干条件以及环境因素，渡到高层系统的相干条件以及环境因素，对高层系统的行为特征作出递进性解释对高层系统的行为特征作出递进性解释•逻辑要素逻辑要素 低层规律低层规律 低层过渡到高层的相干条件低层过渡到高层的相干条件 环境陈述环境陈述低层过渡到高层的相干条件低层过渡到高层的相干条件•化学键：元素化学键：元素 化合物化合物•DNA双螺旋结构：有机小分子双螺旋结构：有机小分子 生命大分子生命大分子•超循环理论：生命大分子超循环理论：生命大分子 生命生命下向因果链与扩展性解释下向因果链与扩展性解释•扩展性解释扩展性解释 加入高层，自由度减少，活动范围受限、加入高层，自由度减少，活动范围受限、活动方式受选择，新特点。

活动方式受选择，新特点•逻辑要素逻辑要素 高层规律高层规律 低层子系统的结构条件低层子系统的结构条件 环境陈述环境陈述•扩展性解释扩展性解释 低层偶然，高层必然低层偶然，高层必然双向因果链：双向因果链：• 低层对高层的基础性作用低层对高层的基础性作用 递进性解释递进性解释• 高层对底层的支配调节作用高层对底层的支配调节作用 扩展性解释扩展性解释。