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把握，還必須把自然界當作一種過程來理解。,一、自然界的演化過程,根據(jù)目前已確認的科學事實和比較公認的科學假說，我們可對自然界的演化過程作出一個大致的描述。,(一)宇宙和天體的起源與演化,1、宇宙起源與大爆炸假說 關于宇宙起源的認識主要來自于伽莫

2、夫“大爆炸假說”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、實物階段。,2、恒星演化與彌漫說 恒星的演化，按目前廣為接受的彌漫說，一般要經(jīng)歷以下幾個階段： 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)了太陽系以及作為太陽系一個成員的地球。,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程中進一步分裂，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，收縮進行得相當快，但也需幾百萬年的時間才能落到中心區(qū)。隨著快收縮過程的進行，星云內(nèi)部的密度迅速增大，溫度快速升高，氣壓

5、也相應增強，隨之發(fā)生一系列的反應，使外原物質(zhì)下落的速度和小球狀體的收縮速度減緩，即進入慢收縮階段。 星云的形狀各異，人們用肉眼只能看到一個獵戶座大星云。,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。慢收縮開始后，中心區(qū)受強烈壓縮而升溫并發(fā)出熱輻射，直到最后中心溫度升到約800至1000萬度以上，由氫原子核聚變?yōu)楹ぴ雍说臒岷朔磻峁┳銐虻哪芰浚箖?nèi)部壓力與引力處于相對平衡狀態(tài)，一顆恒

6、星就正式誕生了。 原恒星進一步形成恒星的收縮過程要持續(xù)幾百萬到幾千萬年。,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間占整個壽命的90%以上。這是一個相對穩(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間就越短。例如

7、：質(zhì)量等于太陽質(zhì)量的15倍、5倍、1倍、0.2倍的恒星，處于主序階段的時間分別為一千萬年、七千萬年、一百億年和一萬億年。目前的太陽也是一顆主序星。太陽現(xiàn)在的年齡為46億多年，它的主序階段已過去了約一半的時間，還要50億年才會轉到另一個演化階段。,(二)地球的演化,地球是在太陽系形成的過程中誕生的，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46億的老壽星了，她起源于始太陽星云。地胎形成時溫度比較低，也沒有分結構。后來由于隕石轟擊、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)也越來越具有塑性，而且局部熔融現(xiàn)。這時，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、部對流和化學離，就逐漸形成了地殼 、地幅、地核等層次。 地球形成初期，原始氣全部跑到了宇宙空間 。后來，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 ，進一步發(fā)展為現(xiàn)代的大。 隨著溫度的升高，地內(nèi)部的結晶水汽化，進大氣層。后來溫度降低 ，氣態(tài)的水便凝結、降雨 ，落到了地面，形成了海。約在30----40億年前 ，地球開始出現(xiàn)單細胞生，后來逐漸進化，出現(xiàn)各種生物。,

10、,地球的演化,天文時期,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)時期,垂直運動水平運動,大陸漂移說海底擴張說板塊構造說,,,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，不斷地由簡單到復雜、由低級到高級的演化發(fā)展，并按照各自的規(guī)律(自組織性)、不可逆地、前進式的演化。 

11、   耗散結構論和協(xié)同論指出，自然界非平衡的約束與非線性動力學機制同時作用于開放的耗散系統(tǒng)，使系統(tǒng)自發(fā)地由簡單趨于復雜，由無序走向有序,板塊漂移,(三)生物圈:生命起源和生物進化,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)過長期的演化而形成的。 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)生并結合為多分子體系時，真正的原

12、始生命就隨之誕生了。,2、生物進化與人類起源 原始生命出現(xiàn)以后，又經(jīng)歷了從非細胞到細胞、從原核細胞到真核細胞，再到單細胞生物進化成多細胞生物，進而分化成動物和植物。 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→被子植物的方向進化；動物則沿著無脊椎動物→脊椎動物的方向發(fā)展，直到人類的出現(xiàn)。,生命的起源和生物的進化,,起源 ：簡單小分子 有機小分子 生物大分子

13、 原始生命演化：細胞的形成 真核細胞的出現(xiàn) 多細胞體的形成 動物、植物、細菌的分別進化 動物 植物 細菌,,,,,,,,,,,,,,,,光合作用,,,生命的演化歷程,等構成生命的主要元素之時起。,碳、氫、氧、氮、硫和磷這六種生命元素構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程而產(chǎn)生的。宇宙的狀態(tài)和宇宙物質(zhì)運動的基本規(guī)律法則的特殊結合造成了生命起源和演化的可能性。,四紀初出現(xiàn)了真正的人類，從而有了人類及其文化、社會形態(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、結構、功能等方面的新舊交替為標志的，這種新舊交替有不可完全逆轉的性質(zhì)，且具有普遍性。 一個物質(zhì)系統(tǒng)從某一狀態(tài)出

15、發(fā)，經(jīng)過某一過程達到另一狀態(tài)，如果存在一個反過程，它能夠使該物質(zhì)系統(tǒng)和外界環(huán)境完全恢復，即物質(zhì)系統(tǒng)回到原來狀態(tài)，同時消除了原來過程對外界環(huán)境引起的影響，則原來的過程為可逆過程。 反之，用任何方法都不可能使物質(zhì)系統(tǒng)和外界環(huán)境完全復原，則原來的過程為不可逆過程。,功熱轉化不可逆,可逆性,刻畫過程的概念 兩種以上狀態(tài)構成的過程刻畫過程可復原性的概念 狀態(tài)及其環(huán)境均可復原,逆過程,不可逆不意味其逆過程不存在逆過程環(huán)境以環(huán)

16、境變遷為代價,麥克斯韋妖,科學研究沒有禁區(qū)，總是有人在尋找著熱力學第二定律的反例，其中最著名的就是1871年物理學家麥克斯韋設計的一個頭腦實驗—麥克斯韋妖。他假設了一個密閉的容器，由一個沒有摩擦力的隔板分成AB兩部分，隔板上有個由妖魔控制的閥門。起初兩側溫度相同，當高速分子由A向B運動或慢速分子由B向A運動時，妖魔就打開閥門令其通過，反之，當高速分子由B向A運動或慢速分子由A向B運動時，妖魔就關閉閥門。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”的熱力學第二定律，若它真的存在，那我們就可以利用溫差對外做功了，科學界將這類違背熱力學第二定律的熱機稱為“第二類永動機”。,可逆過程 時間反演對稱 過去、現(xiàn)在、未來無差異 沒有歷史，也無演化不可逆過程 時間對稱破缺 新現(xiàn)象、新結構不斷出現(xiàn) 有了真正的歷史,“時間之矢”,縱觀科學

18、史，熱力學第二定律（亦簡稱熵增定律）占據(jù)著非常獨特的地位：與其他一切物理學基本規(guī)律不同由于它強烈地顯示著時間的箭頭而被愛丁頓（A·Eddington）稱為“時間之矢”,演化的兩種分支：進化與退化,自然界的任何物質(zhì)系統(tǒng)都要經(jīng)歷產(chǎn)生、成長、衰落、毀滅的歷史過程。 所有這些演化均可以歸為兩大類：進化與退化。 一般認為，進化對物質(zhì)世界更具有積極意義。 但是，人類最早精確認識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)由有序向無序、由高序向低序的演化過程和趨勢。 退化的理論根據(jù)就是熱力學第二定律。 這一定律指出，在一個孤立系統(tǒng)中，任何物理過程或化學過程總是導致熵的增加，系統(tǒng)最終達到一個具有極大熵值的平衡態(tài)，而且這種熵增過程是一個不可逆的自發(fā)過程。 退化過程就是熵增過程。,進化,進化是指物質(zhì)系統(tǒng)由無序到有序、由低序到高序的演化過程和趨勢。 進化的根據(jù)則是生物進化論與自組織理論。 根據(jù)自組織理論，一個系統(tǒng)具備

20、以下條件就會進入有序狀態(tài)：必須處于遠離平衡的狀態(tài)；必須是一個開放系統(tǒng)；形成有序結構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。 進化過程就是熵減過程。,進化與退化的關系,進化和退化是自然界中廣為存在的兩種趨勢和過程。 當代科學對進化的深入研究表明，進化與退化是不可分割、辯證統(tǒng)一的。 1、進化與退化相互包含 2、進化與退化互為條件 3、進化與退化依據(jù)一定條件以互相轉化,自然

21、界演化的周期性,自然界演化發(fā)展中有序與無序的不斷轉化，進化與退化的不斷交替，便使其呈現(xiàn)出周期性規(guī)律。 周期性是事物隨時間的變化，表現(xiàn)出形態(tài)的相似、性質(zhì)的相同、結構的重復、過程的重演等向其原來出發(fā)點的回歸現(xiàn)象。 自然界演化的不可逆性，決定了這種回歸不是簡單的重復，而是辯證的否定之否定過程。,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?，全球氣候經(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。 至于像天文學中太陽黑子爆發(fā)的周期，生物學中生物世代繁衍的周期等，則在自然界中隨處可見。,地球演化的周期性各種時間尺度的周期性變化,2.17、4.1、9.5 萬年    近日點進動,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    九星地心會聚長周期；固體潮，地震，火山作用等。,140 - 180 年        九星地心準會聚周期；固體潮，地震，火山作用等。    · 60 年        四大行星力距效應,地球公轉半徑變化

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        地球自轉速率變化，極移；內(nèi)核振動周期。     · 11 年        太陽黑子活動，地球自轉速率變化；厄爾尼諾；磁暴；地震活動短周期。 

25、60;  · 1 年        地球公轉一周；日幅射周年變；生長季節(jié)變化；固體潮。     · 13.1- 14.76 天        月球半月潮；大氣超長波變；半月潮；固體潮，余震。    &#

26、183; 1 天        地球自轉一周；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)演化周期的形成機制，已由相應的各門自然科學加以闡明。 而系統(tǒng)科學尤其是自組織理論的發(fā)展，又為解釋一般周期的形成機制提供了新的富有啟發(fā)意義的思考途徑。 耗散結構、協(xié)同學、超循環(huán)等非平衡自組織理論認為，一個遠離平衡的開放系統(tǒng)，通過與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量

27、，從環(huán)境中獲得負熵流來抵消系統(tǒng)內(nèi)部的熵產(chǎn)生，就可能從一種混亂無序的狀態(tài)演化成為一種穩(wěn)定有序的結構。 同樣，非平衡自組織理論也揭示了通向混沌的道路，說明了系統(tǒng)從有序向無序的轉化過程。,結語,自然界的演化不但存在周期性，而且存在無限循 環(huán)的可能。 正如恩格斯指出，當自然科學的發(fā)展水平難以解決這個問題的時候，必須借助哲學思維的幫助才能使自己的自然觀成為一個和諧的整體。 如果我們從質(zhì)的不滅性方面來理解物質(zhì)不滅原理和運動不滅原

28、理，自然界的演化圖景就只能是周期性的無限循環(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 動態(tài)過程進行的原因：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：量與量之間的關系可以表示為一次冪，直 角坐標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，新質(zhì)突現(xiàn)的可能性 單解與多解------分支效應，穩(wěn)定分支對應特定結構 均變與突變------臨界效應，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 開放是有序之源 充分開放，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、保持、擴大差異）,演化的外部條件,外部條件的三種情況（外部動力充裕度） 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；遠離平衡；非線性；熵減,演化的誘因條件,誘因 ：引起重大結果的微小原因 奇點效應 蝴蝶效

31、應漲落： 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) 放大機制 引導分支選擇 隨機漲落選擇 孕育新結構胚芽 穩(wěn)定了的巨漲落,何謂蝴蝶效應？,美國麻省理工學院氣象學家洛倫茲（Lorenz）為了預報天氣，用計算機求解仿真地球大氣的13個方程式。為了更細致地考察結果，他把一個中間解取出，提高精度再送回。而當他喝了杯咖啡以后回來再看時竟大吃一驚：本來很小的

32、差異，結果卻偏離了十萬八千里！計算機沒有毛病，于是，洛倫茲（Lorenz）認定，他發(fā)現(xiàn)了新的現(xiàn)象：“對初始值的極端不穩(wěn)定性”，即：“混沌 ”，又稱“蝴蝶效應”，亞洲蝴蝶拍拍翅膀，將使美洲幾個月后出現(xiàn)比狂風還厲害的龍卷風！,演化的誘因條件,演化的三大因素 非平衡------結構 非線性------功能 漲 落------隨機,普利高津結構—功能漲落圖,（決定論的） 功能