5.物質(zhì)系統(tǒng)的演化

1、第四節(jié)、物質(zhì)系統(tǒng)的演化,自然界不僅存在著，而且生成著并消逝著。 生成與消逝的不斷更替，便構(gòu)成了自然界的演化鏈條。 要揭示自然界的奧秘，展示自然界的圖景，除了把自然界作為一種存在來(lái)把握，還必須把自然界當(dāng)作一種過(guò)程來(lái)理解。,一、自然界的演化過(guò)程,根據(jù)目前已確認(rèn)的科學(xué)事實(shí)和比較公認(rèn)的科學(xué)假說(shuō)，我們可對(duì)自然界的演化過(guò)程作出一個(gè)大致的描述。,(一)宇宙和天體的起源與演化,1、宇宙起源與大爆炸假說(shuō) 關(guān)于宇宙起源的認(rèn)識(shí)主要來(lái)自于伽莫

2、夫“大爆炸假說(shuō)”及其修正。 而形成后的宇宙的演化先后經(jīng)歷了基本粒子形成階段、輻射階段或核合成階段、實(shí)物階段。,2、恒星演化與彌漫說(shuō) 恒星的演化，按目前廣為接受的彌漫說(shuō)，一般要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段： 引力收縮階段(包括快收縮階段和慢收縮階段)：主序星階段；紅巨星階段；脈動(dòng)階段；爆發(fā)階段和高密階段等。 在恒星演化的特殊階段和特定條件下，在宇宙之一隅出現(xiàn)了太陽(yáng)系以及作為太陽(yáng)系一個(gè)成員的地球。,恒星的起源和演化,星際彌漫物質(zhì)

3、 星云 原恒星 引力收縮（紅外星） 主序星 紅巨星 白矮星 超新星爆發(fā) 黑矮星 星際

4、物質(zhì) 中子星 黑洞,,,,,,,,,,,,,,,,,,,巨大的星云,星際空間普遍存在極稀薄的物質(zhì)，由于分布不均勻而往往分裂成團(tuán)塊，并向中心凝聚，成為彌漫星云。 彌漫星云在逐步凝聚收縮過(guò)程中進(jìn)一步分裂，變成體積和質(zhì)量更小而密度卻更高的小球狀星云。 星云很龐大，半徑起碼有好幾光年。它的外原物質(zhì)自由地向中心墜落，收縮進(jìn)行得相當(dāng)快，但也需幾百萬(wàn)年的時(shí)間才能落到中心區(qū)。隨著快收縮過(guò)程的進(jìn)行，星云內(nèi)部的密度迅速增大，溫度快速升高，氣壓

5、也相應(yīng)增強(qiáng)，隨之發(fā)生一系列的反應(yīng)，使外原物質(zhì)下落的速度和小球狀體的收縮速度減緩，即進(jìn)入慢收縮階段。 星云的形狀各異，人們用肉眼只能看到一個(gè)獵戶座大星云。,Eagle星云,哈勃拍攝的行星狀星云NGC7027,原恒星,一般把處于慢收縮階段的天體稱為原恒星。慢收縮開(kāi)始后，中心區(qū)受強(qiáng)烈壓縮而升溫并發(fā)出熱輻射，直到最后中心溫度升到約800至1000萬(wàn)度以上，由氫原子核聚變?yōu)楹ぴ雍说臒岷朔磻?yīng)提供足夠的能量，使內(nèi)部壓力與引力處于相對(duì)平衡狀態(tài)，一顆恒

6、星就正式誕生了。 原恒星進(jìn)一步形成恒星的收縮過(guò)程要持續(xù)幾百萬(wàn)到幾千萬(wàn)年。,恒星以內(nèi)部氫核聚變?yōu)橹饕茉吹陌l(fā)展階段就是恒星的主序階段。處于主序階段的恒星稱為主序星。主序階段是恒星的青壯年期，恒星在這一階段停留的時(shí)間占整個(gè)壽命的90%以上。這是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段，向外膨脹和向內(nèi)收縮的兩種力大致平衡，恒星基本上不收縮也不膨脹。恒星停留在主序階段的時(shí)間隨著質(zhì)量的不同而相差很多。質(zhì)量越大，光度越大，能量消耗也越快，停留在主序階段的時(shí)間就越短。例如

7、：質(zhì)量等于太陽(yáng)質(zhì)量的15倍、5倍、1倍、0.2倍的恒星，處于主序階段的時(shí)間分別為一千萬(wàn)年、七千萬(wàn)年、一百億年和一萬(wàn)億年。目前的太陽(yáng)也是一顆主序星。太陽(yáng)現(xiàn)在的年齡為46億多年，它的主序階段已過(guò)去了約一半的時(shí)間，還要50億年才會(huì)轉(zhuǎn)到另一個(gè)演化階段。,(二)地球的演化,地球是在太陽(yáng)系形成的過(guò)程中誕生的，迄今的歷史約46億年。在這期間，地球發(fā)生了一系列的變化。 1、地球內(nèi)部圈層的演化 2、地球外部圈層的演化 (1)大氣圈 (2

8、)水圈 （3）巖石土壤圈,地球的演化史      地球已經(jīng)是一個(gè)46億的老壽星了，她起源于始太陽(yáng)星云。地胎形成時(shí)溫度比較低，也沒(méi)有分結(jié)構(gòu)。后來(lái)由于隕石轟擊、放射性衰變發(fā)熱和地的內(nèi)部重力收縮，才使地球溫度逐漸增加。 隨著溫度的升高，地內(nèi)部物質(zhì)也越來(lái)越具有塑性，而且局部熔融現(xiàn)。這時(shí)，在重力作用下 ，地球外部較重的物質(zhì)逐下沉，內(nèi)部較輕的物質(zhì)升。液態(tài)的鐵等重元素到了地球中心，形成地。而后，由于地球內(nèi)

9、部對(duì)流和化學(xué)離，就逐漸形成了地殼 、地幅、地核等層次。 地球形成初期，原始?xì)馊颗艿搅擞钪婵臻g 。后來(lái)，隨著地球內(nèi)部物的重新組合，加上溫度高，使地球內(nèi)部氣體上到地面，形成第二代地大氣。生命出現(xiàn)以后， 由于綠色植物的光合作用 ，進(jìn)一步發(fā)展為現(xiàn)代的大。 隨著溫度的升高，地內(nèi)部的結(jié)晶水汽化，進(jìn)大氣層。后來(lái)溫度降低 ，氣態(tài)的水便凝結(jié)、降雨 ，落到了地面，形成了海。約在30----40億年前 ，地球開(kāi)始出現(xiàn)單細(xì)胞生，后來(lái)逐漸進(jìn)化，出現(xiàn)各種生物。,

10、,地球的演化,天文時(shí)期,地球內(nèi)部圈層的形成和演化地球外部圈層的形成和演化,,地質(zhì)時(shí)期,垂直運(yùn)動(dòng)水平運(yùn)動(dòng),大陸漂移說(shuō)海底擴(kuò)張說(shuō)板塊構(gòu)造說(shuō),,,早期的地球—地核,地球演化的不可逆性,地球演化的不可逆性    總之，宇宙中地球的各圈層—地核、地幔、地殼、大氣圈、水圈與生物圈，都是在相互作用下，不斷地由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由低級(jí)到高級(jí)的演化發(fā)展，并按照各自的規(guī)律(自組織性)、不可逆地、前進(jìn)式的演化。 

11、   耗散結(jié)構(gòu)論和協(xié)同論指出，自然界非平衡的約束與非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制同時(shí)作用于開(kāi)放的耗散系統(tǒng)，使系統(tǒng)自發(fā)地由簡(jiǎn)單趨于復(fù)雜，由無(wú)序走向有序,板塊漂移,(三)生物圈:生命起源和生物進(jìn)化,生命是蛋白質(zhì)和核酸多分子體系存在的一種方式，它是由非生命物質(zhì)在原始地球環(huán)境中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的演化而形成的。 1、原始生命的誕生 在原始地球條件下，當(dāng)具有催化功能的原始蛋白質(zhì)和能起模板作用的原始核酸一旦產(chǎn)生并結(jié)合為多分子體系時(shí)，真正的原

12、始生命就隨之誕生了。,2、生物進(jìn)化與人類起源 原始生命出現(xiàn)以后，又經(jīng)歷了從非細(xì)胞到細(xì)胞、從原核細(xì)胞到真核細(xì)胞，再到單細(xì)胞生物進(jìn)化成多細(xì)胞生物，進(jìn)而分化成動(dòng)物和植物。 在適宜的環(huán)境中，植物沿著菌藻植物→苔蘚和蕨類植物→裸子植物→被子植物的方向進(jìn)化；動(dòng)物則沿著無(wú)脊椎動(dòng)物→脊椎動(dòng)物的方向發(fā)展，直到人類的出現(xiàn)。,生命的起源和生物的進(jìn)化,,起源 ：簡(jiǎn)單小分子 有機(jī)小分子 生物大分子

13、 原始生命演化：細(xì)胞的形成 真核細(xì)胞的出現(xiàn) 多細(xì)胞體的形成 動(dòng)物、植物、細(xì)菌的分別進(jìn)化 動(dòng)物 植物 細(xì)菌,,,,,,,,,,,,,,,,光合作用,,,生命的演化歷程,等構(gòu)成生命的主要元素之時(shí)起。,碳、氫、氧、氮、硫和磷這六種生命元素構(gòu)成了地球上生物體物質(zhì)總量的98% ，而這

14、些元素是伴隨著宇宙起源和演化過(guò)程而產(chǎn)生的。宇宙的狀態(tài)和宇宙物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律法則的特殊結(jié)合造成了生命起源和演化的可能性。,四紀(jì)初出現(xiàn)了真正的人類，從而有了人類及其文化、社會(huì)形態(tài)。,二、自然界演化的基本特征與規(guī)律,演化的不可逆性演化的兩種分支：進(jìn)化與退化演化的根據(jù)和條件,演化的不可逆性,自然界的演化是以物質(zhì)系統(tǒng)的要素、結(jié)構(gòu)、功能等方面的新舊交替為標(biāo)志的，這種新舊交替有不可完全逆轉(zhuǎn)的性質(zhì)，且具有普遍性。 一個(gè)物質(zhì)系統(tǒng)從某一狀態(tài)出

15、發(fā)，經(jīng)過(guò)某一過(guò)程達(dá)到另一狀態(tài)，如果存在一個(gè)反過(guò)程，它能夠使該物質(zhì)系統(tǒng)和外界環(huán)境完全恢復(fù)，即物質(zhì)系統(tǒng)回到原來(lái)狀態(tài)，同時(shí)消除了原來(lái)過(guò)程對(duì)外界環(huán)境引起的影響，則原來(lái)的過(guò)程為可逆過(guò)程。 反之，用任何方法都不可能使物質(zhì)系統(tǒng)和外界環(huán)境完全復(fù)原，則原來(lái)的過(guò)程為不可逆過(guò)程。,功熱轉(zhuǎn)化不可逆,可逆性,刻畫(huà)過(guò)程的概念 兩種以上狀態(tài)構(gòu)成的過(guò)程刻畫(huà)過(guò)程可復(fù)原性的概念 狀態(tài)及其環(huán)境均可復(fù)原,逆過(guò)程,不可逆不意味其逆過(guò)程不存在逆過(guò)程環(huán)境以環(huán)

16、境變遷為代價(jià),麥克斯韋妖,科學(xué)研究沒(méi)有禁區(qū)，總是有人在尋找著熱力學(xué)第二定律的反例，其中最著名的就是1871年物理學(xué)家麥克斯韋設(shè)計(jì)的一個(gè)頭腦實(shí)驗(yàn)—麥克斯韋妖。他假設(shè)了一個(gè)密閉的容器，由一個(gè)沒(méi)有摩擦力的隔板分成AB兩部分，隔板上有個(gè)由妖魔控制的閥門。起初兩側(cè)溫度相同，當(dāng)高速分子由A向B運(yùn)動(dòng)或慢速分子由B向A運(yùn)動(dòng)時(shí)，妖魔就打開(kāi)閥門令其通過(guò)，反之，當(dāng)高速分子由B向A運(yùn)動(dòng)或慢速分子由A向B運(yùn)動(dòng)時(shí)，妖魔就關(guān)閉閥門。久而久之，高速分子都跑到了B區(qū)，慢

17、速分子都跑到了A區(qū)，于是這個(gè)封閉系統(tǒng)的有序性大大增加，而熵就大大減少了。這只想象中的妖魔打破了“封閉系統(tǒng)的熵只能增加”的熱力學(xué)第二定律，若它真的存在，那我們就可以利用溫差對(duì)外做功了，科學(xué)界將這類違背熱力學(xué)第二定律的熱機(jī)稱為“第二類永動(dòng)機(jī)”。,可逆過(guò)程 時(shí)間反演對(duì)稱 過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)無(wú)差異 沒(méi)有歷史，也無(wú)演化不可逆過(guò)程 時(shí)間對(duì)稱破缺 新現(xiàn)象、新結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn) 有了真正的歷史,“時(shí)間之矢”,縱觀科學(xué)

18、史，熱力學(xué)第二定律（亦簡(jiǎn)稱熵增定律）占據(jù)著非常獨(dú)特的地位：與其他一切物理學(xué)基本規(guī)律不同由于它強(qiáng)烈地顯示著時(shí)間的箭頭而被愛(ài)丁頓（A·Eddington）稱為“時(shí)間之矢”,演化的兩種分支：進(jìn)化與退化,自然界的任何物質(zhì)系統(tǒng)都要經(jīng)歷產(chǎn)生、成長(zhǎng)、衰落、毀滅的歷史過(guò)程。 所有這些演化均可以歸為兩大類：進(jìn)化與退化。 一般認(rèn)為，進(jìn)化對(duì)物質(zhì)世界更具有積極意義。 但是，人類最早精確認(rèn)識(shí)并深入研究的演化現(xiàn)象卻是退化。,退化,所謂退

19、化，是指物質(zhì)系統(tǒng)由有序向無(wú)序、由高序向低序的演化過(guò)程和趨勢(shì)。 退化的理論根據(jù)就是熱力學(xué)第二定律。 這一定律指出，在一個(gè)孤立系統(tǒng)中，任何物理過(guò)程或化學(xué)過(guò)程總是導(dǎo)致熵的增加，系統(tǒng)最終達(dá)到一個(gè)具有極大熵值的平衡態(tài)，而且這種熵增過(guò)程是一個(gè)不可逆的自發(fā)過(guò)程。 退化過(guò)程就是熵增過(guò)程。,進(jìn)化,進(jìn)化是指物質(zhì)系統(tǒng)由無(wú)序到有序、由低序到高序的演化過(guò)程和趨勢(shì)。 進(jìn)化的根據(jù)則是生物進(jìn)化論與自組織理論。 根據(jù)自組織理論，一個(gè)系統(tǒng)具備

20、以下條件就會(huì)進(jìn)入有序狀態(tài)：必須處于遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)；必須是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)；形成有序結(jié)構(gòu)的各要素之間存在著非線性的相互作用；系統(tǒng)中存在正反饋；漲落和突變是產(chǎn)生有序狀態(tài)的條件。 進(jìn)化過(guò)程就是熵減過(guò)程。,進(jìn)化與退化的關(guān)系,進(jìn)化和退化是自然界中廣為存在的兩種趨勢(shì)和過(guò)程。 當(dāng)代科學(xué)對(duì)進(jìn)化的深入研究表明，進(jìn)化與退化是不可分割、辯證統(tǒng)一的。 1、進(jìn)化與退化相互包含 2、進(jìn)化與退化互為條件 3、進(jìn)化與退化依據(jù)一定條件以互相轉(zhuǎn)化,自然

21、界演化的周期性,自然界演化發(fā)展中有序與無(wú)序的不斷轉(zhuǎn)化，進(jìn)化與退化的不斷交替，便使其呈現(xiàn)出周期性規(guī)律。 周期性是事物隨時(shí)間的變化，表現(xiàn)出形態(tài)的相似、性質(zhì)的相同、結(jié)構(gòu)的重復(fù)、過(guò)程的重演等向其原來(lái)出發(fā)點(diǎn)的回歸現(xiàn)象。 自然界演化的不可逆性，決定了這種回歸不是簡(jiǎn)單的重復(fù)，而是辯證的否定之否定過(guò)程。,周期性的表現(xiàn),物質(zhì)系統(tǒng)演化的周期性，在自然界中是普遍存在的。 恒星經(jīng)歷的“星云—恒星—星際彌漫物質(zhì)—新一代恒星”的演化，海底地殼經(jīng)歷

22、的“地殼—地?！碌牡貧ぁ钡难莼驓夂蚪?jīng)歷的“溫暖期—寒冷期—溫暖期”的演化，都體現(xiàn)出這種周期性。 至于像天文學(xué)中太陽(yáng)黑子爆發(fā)的周期，生物學(xué)中生物世代繁衍的周期等，則在自然界中隨處可見(jiàn)。,地球演化的周期性各種時(shí)間尺度的周期性變化,2.17、4.1、9.5 萬(wàn)年    近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng),黃赤道交角變化,地球軌道偏心率變化；冰期和間冰期、沉積韻律等。    1000 -

23、1400 年    九星地心會(huì)聚長(zhǎng)周期；固體潮，地震，火山作用等。,140 - 180 年        九星地心準(zhǔn)會(huì)聚周期；固體潮，地震，火山作用等。    · 60 年        四大行星力距效應(yīng),地球公轉(zhuǎn)半徑變化

24、；厄爾尼諾；“天干地支”；固體潮，地震，火山，核-幔耦合作用等。,29.8 年        地球自轉(zhuǎn)速率變化，極移；內(nèi)核振動(dòng)周期。     · 11 年        太陽(yáng)黑子活動(dòng)，地球自轉(zhuǎn)速率變化；厄爾尼諾；磁暴；地震活動(dòng)短周期。 

25、60;  · 1 年        地球公轉(zhuǎn)一周；日幅射周年變；生長(zhǎng)季節(jié)變化；固體潮。     · 13.1- 14.76 天        月球半月潮；大氣超長(zhǎng)波變；半月潮；固體潮，余震。    &#

26、183; 1 天        地球自轉(zhuǎn)一周；日幅射；半日潮；生物鐘；固體潮。,周期性的證據(jù),這些具體物質(zhì)系統(tǒng)演化周期的形成機(jī)制，已由相應(yīng)的各門自然科學(xué)加以闡明。 而系統(tǒng)科學(xué)尤其是自組織理論的發(fā)展，又為解釋一般周期的形成機(jī)制提供了新的富有啟發(fā)意義的思考途徑。 耗散結(jié)構(gòu)、協(xié)同學(xué)、超循環(huán)等非平衡自組織理論認(rèn)為，一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的開(kāi)放系統(tǒng)，通過(guò)與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量

27、，從環(huán)境中獲得負(fù)熵流來(lái)抵消系統(tǒng)內(nèi)部的熵產(chǎn)生，就可能從一種混亂無(wú)序的狀態(tài)演化成為一種穩(wěn)定有序的結(jié)構(gòu)。 同樣，非平衡自組織理論也揭示了通向混沌的道路，說(shuō)明了系統(tǒng)從有序向無(wú)序的轉(zhuǎn)化過(guò)程。,結(jié)語(yǔ),自然界的演化不但存在周期性，而且存在無(wú)限循 環(huán)的可能。 正如恩格斯指出，當(dāng)自然科學(xué)的發(fā)展水平難以解決這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，必須借助哲學(xué)思維的幫助才能使自己的自然觀成為一個(gè)和諧的整體。 如果我們從質(zhì)的不滅性方面來(lái)理解物質(zhì)不滅原理和運(yùn)動(dòng)不滅原

28、理，自然界的演化圖景就只能是周期性的無(wú)限循環(huán)發(fā)展。,演化的根據(jù)和條件,演化的內(nèi)部根據(jù)演化的外部條件演化的誘因條件,演化的內(nèi)部根據(jù),演化的內(nèi)部根據(jù)：相互作用 動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行的原因：物質(zhì)能量信息交換 系統(tǒng)存在根據(jù)：穩(wěn)定的相互作用 系統(tǒng)演化根據(jù)：要素的結(jié)合方式線性相互作用與非線性相互作用 線形：量與量之間的關(guān)系可以表示為一次冪，直 角坐標(biāo)系中圖像為一條直線,演化的內(nèi)部根據(jù),線性相互作用與非線性相互作

29、用的區(qū)別： 疊加與相干------相干效應(yīng)，新質(zhì)突現(xiàn)的可能性 單解與多解------分支效應(yīng)，穩(wěn)定分支對(duì)應(yīng)特定結(jié)構(gòu) 均變與突變------臨界效應(yīng)，系統(tǒng)巨變的可能性 非線性相互作用的系統(tǒng)具有走上熵減分支的內(nèi)在根據(jù),演化的外部條件,外部條件作用 開(kāi)放是有序之源 充分開(kāi)放，提供物質(zhì)、能量、信息的條件 選擇和調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的相互作用方式

30、 （恢復(fù)、保持、擴(kuò)大差異）,演化的外部條件,外部條件的三種情況（外部動(dòng)力充裕度） A 缺乏外部條件 封閉，熵增；平衡 B 外部條件不充分 一定開(kāi)放性；線性；近平衡 C 外部條件充分 大量物質(zhì)、能量的流入；遠(yuǎn)離平衡；非線性；熵減,演化的誘因條件,誘因 ：引起重大結(jié)果的微小原因 奇點(diǎn)效應(yīng) 蝴蝶效

31、應(yīng)漲落： 引起系統(tǒng)向有序方向演化的誘因漲落的作用 觸發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn) 放大機(jī)制 引導(dǎo)分支選擇 隨機(jī)漲落選擇 孕育新結(jié)構(gòu)胚芽 穩(wěn)定了的巨漲落,何謂蝴蝶效應(yīng)？,美國(guó)麻省理工學(xué)院氣象學(xué)家洛倫茲（Lorenz）為了預(yù)報(bào)天氣，用計(jì)算機(jī)求解仿真地球大氣的13個(gè)方程式。為了更細(xì)致地考察結(jié)果，他把一個(gè)中間解取出，提高精度再送回。而當(dāng)他喝了杯咖啡以后回來(lái)再看時(shí)竟大吃一驚：本來(lái)很小的

32、差異，結(jié)果卻偏離了十萬(wàn)八千里！計(jì)算機(jī)沒(méi)有毛病，于是，洛倫茲（Lorenz）認(rèn)定，他發(fā)現(xiàn)了新的現(xiàn)象：“對(duì)初始值的極端不穩(wěn)定性”，即：“混沌 ”，又稱“蝴蝶效應(yīng)”，亞洲蝴蝶拍拍翅膀，將使美洲幾個(gè)月后出現(xiàn)比狂風(fēng)還厲害的龍卷風(fēng)！,演化的誘因條件,演化的三大因素 非平衡------結(jié)構(gòu) 非線性------功能 漲 落------隨機(jī),普利高津結(jié)構(gòu)—功能漲落圖,（決定論的） 功能