自然辩证法第一编自然哲学

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1、自然辩证法概论西安交通大学自然辩证法概论课程建设组二〇〇九年十月第一编自然哲学第三章自然演化机制与可持续发展第一节自然演化的一般机制一、热寂说与麦克斯韦妖1.关于宇宙演化方向和终态的“热寂论”模型1850年，克劳修斯提出热力学第二定律：热量总是从高温物体传到低温物体，不能作相反的传递而不带有其它的变化。1864年，他又引入“熵”概念对热力学第二定律予以重新表述：在孤立系统内实际发生的过程，总使整个系统的熵值增大，直到熵最大的平衡态为止。克劳修斯在提出热力学第二定律的同时，又把这一定律所得出的结论推广了来解释整个宇宙的演化，由

2、此提出了—个关于宇宙演化的方向和终态的理论模型，这便是那个直到今日还为众多科学家们奉为金科玉律的著名的“宇宙热寂论”。2.生物进化论与宇宙热寂论的对立1859年，达尔文在其《物种起源》一书中根据大量考察资料详细阐述了一种生物进化的理论，这种理论认为：生物不是从来就有，物种是进化的，地球生物界是一个历史有序的统一体。生物产生和进化是一个由无序到有序，由低级的单细胞生物向高度有序的人类社会进化的过程。生物进化的结果导致生物种类的繁多，功能和结构的复杂，这是一个有序度增加的过程。宇宙热寂论和生物进化论在自然演化方向问题上的这种对立

3、，长期以来并未引起更大的争论。3.麦克斯韦妖1871年，麦克斯韦在他的《热的理论》一书的最后一章《热力学第二定律的限制》中，提出了一个与热力学第二定律相悖的假说。他假想存在这样一个神通广大的“妖精”，它能跟踪充满容器的每个气体分子的运动。把这个容器用一道隔板分为A，B两个部分，并在隔板上安装一个阀门，当阀门打开时，单个气体分子可以从容器的一部分经过阀门进入另一部分去。假设这个容器起先充满了一定温度的气体，按照热的运动论，一定的温度对应于分子的一定的平均速度。因为气体分子的运动具有随机性，有的分子的速度将大于平均值，有的则将小于

4、平均值。那么，通过在适当时刻打开隔板上的阀门，妖精就能让快的分子从A进入B，慢的分子从B进入A，结果不须耗费能量，B部分的温度就会上升，A部分的温度就会下降，按照麦克斯韦的这一假说，只要系统中存在这样一个能够适时打开阀门开关的“妖精”·就能增大系统内部的温度差，从而导致系统总熵的减少。后人将这个假想的“妖精”称为“麦克斯韦妖”。然而，在系统处于孤立状态的情况下，系统内部的微观起伏总是十分有限的，它根本不可能改变系统服从热力学第二定律的总体模式。二、进化与广义热力学第二定律1.开放的体系在科学进入20世纪40年代之后，在麦克斯韦

5、妖所引起的科学界的困惑长达70多年之后，随着薛定锷的生命的负熵论、维纳的信息的负熵论，以及申农的通讯信息论的相继问世，科学的视野逐渐从对孤立体系的研究转向了对开放体系的研究。科学视野的这种转换，使科学家们逐渐地把熵、智能、信息、负熵这样一些概念联系了起来，从而也便解开了作祟多年的“妖精”之谜。这样，科学界已经清晰地看到了克劳修斯热力学第二定律的界限：它只适用于孤立的体系；科学界也已经清晰地看到了麦克斯韦妖可以进行长期工作的条件：开放的体系。2.广义热力学第二定律普里戈金指出，一个系统的熵变是由两方面的因素引起的，一个因素是系统

6、与环境在相互作用中交换的熵（deS），称外熵流；另一个因素是系统内部自发产生的熵（dis），称内熵变。据此，他给出了一个系统的总熵变（dS）公式：dS=deS＋dis在孤立系统中：deS=0，所以dS＝dis≥0，这就是克劳修斯提出的（狭义）热力学第二定律。在开放系统中：deS≠0，系统的总熵变便会出现如下4种情况：①当des>0(即外熵流为正值)，ds>0，系统加速走向无序化；②当des<0(即外熵流为负值)，且

7、des

8、0，系统仍沿熵增方向走向无序化；③当des<0，且

9、des

10、=dis，则ds=0

11、，系统宏观结构不变；④当des<0，且

12、des

13、>dis时，则ds<0，系统将会沿熵减方向走向有序化。显然，克劳修斯的热力学第二定律只是广义热力学第二定律在孤立系统中的一个特例。正是普里戈金提出的广义热力学第二定律，揭示了在适宜开放的背景下，系统沿着熵减方向走向有序化进化的必然性。三、自然演化的自组织机制1.自组织的概念自组织是相对于它组织而言的。它组织：从系统外部直接引入模式信息，并按此模式建构系统模式的过程。理解它组织概念的关键在于：模式是由外部输入的，而不是由系统内部自发产生的。自组织：在开放背景下，系统自发形成内部有序

14、结构的过程。理解自组织概念的关键在于：模式是内部自发产生的，而不是由系统外部输入的。事实上，任何新的有序结构模式的生成都是通过自组织实现的。自组织就是新模式创生的一般机制。（三）自组织现象的基本特征1.动态性或微观可变性两类有序结构：静态的：微观粒子处于静态有序的空间排列（死