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1、第第2 2章章 自然界的演化发展自然界的演化发展2.1 2.1 自然界演化的科学图景自然界演化的科学图景2.3 2.3 自然界演化的自然界演化的机制和条件机制和条件关键词：不可逆性关键词：不可逆性 自组织性自组织性2.1 2.1 自然界演化的科学图景自然界演化的科学图景v何谓何谓“自然演化具有自然演化具有历史性历史性”？I.I.自然处于发展自然处于发展变动变动之中，而非之中，而非一成不变一成不变II.II.自然界的发展具有时序性、自然界的发展具有时序性、指向性指向性III.III.自然的演化过程具有自然的演化过程具有规律性规律性 自然是如何演化发展的？自然是如何演化发展的？1 1、自然的演化发
2、展是否周期性、自然的演化发展是否周期性的、可以回复的？的、可以回复的？2 2、用什么来描述自然的演化方、用什么来描述自然的演化方向？向？3 3、自然演化发展的过程机制是、自然演化发展的过程机制是什么？这一机制给予我们什么什么？这一机制给予我们什么启示？启示？1 1、自然的演化是否可以循环回复？、自然的演化是否可以循环回复？（1 1）“时间时间”箭头在描述自然箭头在描述自然的演化中有什么意义？的演化中有什么意义？（2 2）什么是）什么是不可逆不可逆变化？该过变化？该过程是否具有程是否具有普遍性普遍性？（1 1）“时间时间”箭头在描述自然的箭头在描述自然的演化中有什么意义？演化中有什么意义？在本周
3、三与上周三看到的车是在本周三与上周三看到的车是同一辆车的可能性有多大？同一辆车的可能性有多大？在本周三与上周三看到的比赛在本周三与上周三看到的比赛是同一场比赛的可能性有多大？是同一场比赛的可能性有多大？实体与过程通过什么描述的？实体与过程通过什么描述的？实验结果表明：实验结果表明：同一实体在不同时空下有同一实体在不同时空下有60%60%的的可能性仍然为同一实体可能性仍然为同一实体事件在不同空间仍然同一的可事件在不同空间仍然同一的可能性是能性是25%25%，在不同时间下仍然，在不同时间下仍然同一可能性是同一可能性是7%7%。实验推论：实体与事件的界定实验推论：实体与事件的界定是根据什么标准？是根
4、据什么标准？-实体实体大多通过大多通过属性属性（如（如外形）来判断外形）来判断 -事件事件少用属性，通常是少用属性，通常是根据根据时空时空特征来作出判断特征来作出判断牛顿方程：牛顿方程：F=m dF=m d2 2x x dt dt2 2 时间时间 t t 只是一个外在的几何参数，只是一个外在的几何参数，没有方向，过去与未来是对称的没有方向，过去与未来是对称的“对我们这些信对我们这些信念坚定的物理念坚定的物理学家来说，过学家来说，过去、现在与未去、现在与未来之间的差别来之间的差别只是一种幻觉，只是一种幻觉，虽然是一种长虽然是一种长久不变的幻久不变的幻觉。觉。”dT=dT=2 2T T dT=-d
5、T=-2 2T Tdt dtdt dtdC=DdC=D2 2C C dC=-DdC=-D2 2C C dt dtdt dt 时间反演下，方程发生变化时间反演下，方程发生变化Fourier Fourier 方程与方程与 Fick Fick 方程方程(2)(2)不可逆变化不可逆变化运动运动 可逆变化可逆变化 (reversiblereversible）变化变化 不可逆变化不可逆变化（irreversible)irreversible)（演化）（演化）-时间反演变换时间反演变换：t -tt -t可逆过程与不可逆过程可逆过程与不可逆过程热力学系统由某一状态出发，经过某热力学系统由某一状态出发，经过某一
6、过程到达另一状态后它能使系统和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，同时即，使系统回到原来状态，同时又完又完全消除原来过程对外界所产生的一切全消除原来过程对外界所产生的一切影响影响，则，则原来原来的过程称为可逆过程。的过程称为可逆过程。反之，如果无论采用何种办法都不能反之，如果无论采用何种办法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。程称为不可逆过程。可逆过程可逆过程-一个一个无摩擦力、无耗散的准静态无摩擦力、无耗散的准静态过程称为过程称为可逆过程可逆过程-在可逆过程中
7、，体系从始态变到在可逆过程中，体系从始态变到终态，再从终态回到始态，终态，再从终态回到始态，体系体系和环境都能恢复原状和环境都能恢复原状 自然界是否存在真正意义上自然界是否存在真正意义上 的可逆过程？的可逆过程？在昼夜温差较大的我国北方冬季，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，同样缸里的水又凝固成冰。因此，这是一个可逆过程。你认为这种这是一个可逆过程。你认为这种说法对吗？为什么说法对吗？为什么?实现可逆过程必需包括两个基本实现可逆过程必需包括两个基本条件：条件：（1 1）过程进行时体系内部状态变化）过程进行时体系内
8、部状态变化应始终保持在应始终保持在准静态准静态过程过程（2 2）对外界不留下任何影响）对外界不留下任何影响 不可逆变化的特点不可逆变化的特点v过程过程与与环境环境不能不能同时完全同时完全复复原原 自发自发进行的变化，不可能进行的变化，不可能自发自发地回到原来的状态，地回到原来的状态，而对外界而对外界不发生任何影响不发生任何影响v时间对称性破缺时间对称性破缺 tt熵：熵：系统演化的重要参数系统演化的重要参数熵熵（entropyentropy，能量的变异，能量的变异)s=s=熵的宏观意义表征系统熵的宏观意义表征系统能量分布的均能量分布的均匀状态匀状态熵的微观意义表征系统内部粒子的熵的微观意义表征系
9、统内部粒子的无无序序程度程度熵的信息学解释认为熵是系统熵的信息学解释认为熵是系统无组织无组织程度的量度程度的量度dQ TM M2 2 Q QT T1 1TT2 2S S1 1=-=-Q 0 Q 0 Q 0 T T2 2S S=S S1 1+S S2 2=-Q+Q+Q 0 Q 0 T T1 1 T T2 2热力学第二定律：热量不可能热力学第二定律：热量不可能自自动地动地从较冷的物体转移到较热的从较冷的物体转移到较热的物体（克劳修斯）物体（克劳修斯）熵的增加熵的增加表明系统中存在着表明系统中存在着自发自发不可逆不可逆的过程的过程2、自然界的演化方向、自然界的演化方向v 演化（演化（evolutio
10、n)evolution)是一种具有是一种具有不可逆性不可逆性的运动的运动形态形态 系统的结构、特性行为、功系统的结构、特性行为、功能等随着时间的推移而能等随着时间的推移而发生的发生的变化变化，称为系统的演化，称为系统的演化用什么来描述自然的演化方向？用什么来描述自然的演化方向？序序 有序有序 无序无序 进化与退化进化与退化 雪花骨架图案雪花骨架图案花岗岩中的环状结构花岗岩中的环状结构 序：体现为系统元素之间的关序：体现为系统元素之间的关系确定系确定 有序：系统诸要素和系统之间有序：系统诸要素和系统之间在时间、空间、结构、功能上在时间、空间、结构、功能上有规则的有规则的联系与转化联系与转化 无序
11、无序 有序与无序是相对的有序与无序是相对的 什么是序？什么是序？进化与退化进化与退化 进化是指事物从无序到有序的进化是指事物从无序到有序的不可逆不可逆过程，或复杂性和多样过程，或复杂性和多样性的增长过程性的增长过程 进化与退化是系统演化的两个进化与退化是系统演化的两个重要方向重要方向进化标准的判定进化标准的判定 自然系统进化的标准：系统自然系统进化的标准：系统内部及其对环境的反应能力内部及其对环境的反应能力 非自然系统进化的标准：系非自然系统进化的标准：系统的功能及其满足人类目的的统的功能及其满足人类目的的程度程度 v 进化与退化的关系进化与退化的关系 -相互包含相互包含 -同存共生同存共生
12、-相互交替相互交替序（进化）的度量序（进化）的度量1 1、对称性与序、对称性与序 对称操作越多或对称元素增多对称操作越多或对称元素增多（越对称），就越无序（越对称），就越无序2 2、熵与序、熵与序 系统的系统的熵增加熵增加则有序程度降低则有序程度降低（走向（走向无序无序），熵减则走向有序），熵减则走向有序-从从进化进化的时间箭头上来看：的时间箭头上来看：熵增（退化）意味着系统无序熵增（退化）意味着系统无序程度的提高程度的提高 负熵（负熵（与宏观意义的熵的反向与宏观意义的熵的反向量度量度）的增加表征系统的进化）的增加表征系统的进化自然界演化的核心机制自然界演化的核心机制 自组织机制自组织机制什么
13、是自组织（什么是自组织（self-organizationself-organization)？系统依靠系统依靠自身自身的机制形成有的机制形成有序结构的过程序结构的过程系统的要素通过相干协同，系统的要素通过相干协同，而而非通过外界特定非通过外界特定干预形成特干预形成特定结构与功能的过程定结构与功能的过程其实质在于系统内部组分的其实质在于系统内部组分的相干与协同相干与协同他组织他组织 系统的要素按照特定指令而形系统的要素按照特定指令而形成特定结构与功能的过程成特定结构与功能的过程 其实质在于执行指令其实质在于执行指令自然演化的自组织机制自然演化的自组织机制1 1、开放开放是系统进化的先决条件是系
14、统进化的先决条件2 2、非平衡非平衡是有序之源是有序之源3 3、系统进化的内在根据、系统进化的内在根据:非线性机非线性机制制 4 4、系统进化的直接诱因：随机、系统进化的直接诱因：随机涨涨落落系统的三种状态系统的三种状态平衡态平衡态近平衡态近平衡态远离平衡态远离平衡态系统的三种状态系统的三种状态-平衡态平衡态：系统宏观参量无差别状态：系统宏观参量无差别状态-近平衡态近平衡态（线性平衡态）：（线性平衡态）：系统状态参量仅有微小差异的状态系统状态参量仅有微小差异的状态-远离平衡态远离平衡态（进入非线性区）（进入非线性区）系统状态参量之间存在着最大或较系统状态参量之间存在着最大或较大差异大差异熵增与
15、进化熵增与进化v演化是一种具有演化是一种具有不可逆性不可逆性的的运动形态运动形态v一切一切不可逆不可逆过程都是向着过程都是向着熵熵增加增加的方向进行的方向进行v熵增意味着系统熵增意味着系统无序无序程度的程度的提高提高 薛定谔在薛定谔在生命是什么生命是什么?中指出：中指出：一个生命有机体在不断地增加它的一个生命有机体在不断地增加它的熵熵你或者可以说在增加正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，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要活着，唯一的办法是从环境中不断吸取断吸取负熵负熵，有机体是依赖负熵有
16、机体是依赖负熵为生的为生的 ，这就是生命的热力学，这就是生命的热力学基础。基础。开放系统的总熵变为：开放系统的总熵变为：ds=dds=de es+ds+di is s 为系统内部的不可逆过程引起为系统内部的不可逆过程引起 的熵变化率，叫做熵产生的熵变化率，叫做熵产生 为系统与外界交换物质和能量为系统与外界交换物质和能量 引起的熵变化率，称熵流引起的熵变化率，称熵流当系统从外界获得的负熵流大于系统当系统从外界获得的负熵流大于系统内部的熵产生时：内部的熵产生时：dsdesdisdtdtdt disdtdesdtdesdisds0dtdtdt0系统的开放使之能够借助外部环境输系统的开放使之能够借助外部环境输入的负熵克服、入的负熵克服、抵消抵消系统内部的系统内部的熵增熵增，从而提供了进化从而提供了进化/发展的发展的可能可能开放系统与封闭系统开放系统与封闭系统开放系统：与环境进行物质、能量交开放系统：与环境进行物质、能量交换，其边界往往有间断点，具有可以换，其边界往往有间断点，具有可以进出的通道进出的通道封闭系统：封闭系统：系统阻止自身与环境进行系统阻止自身与环境进行物质交换，其边界是完全封闭的
