3第三章自然界的物质及其存在方式.ppt

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1、第三章 自然界的物质及其存在方式 现代科学视野中自然界的存在图景,刘冠军 （首都经济贸易大学马克思主义学院）,恩格斯的三句话： 1 “当我们深思熟虑地考察自然界或人类历史或我们自己的精神活动的时候，首先呈现在我们眼前的，是一幅由种种联系和相互作用无穷无尽地交织起来的画面，其中没有任何东西是不动的和不变的，而是一切都在运动，变化，产生和消失。” 反杜林论 2 自然界的物质“不仅有相互邻近的历史，而且也有先后相继的历史。” 自然辩证法 3 “自然界不仅存在着，而且生成着或消逝着。”自然辩证法,恩格斯的三句话至少包含了两层涵义： 第一，自然界“是一幅由种种联系和相互作用无穷无尽地交织起来的画面”。自

2、然界中的物质，在空间上有“相互邻近”的历史。 这是本章要阐释的内容 第二，自然界中“没有任何东西是动的和不变的，一切都在运动、变化、产生利消失”。自然界中的物质，在时间上有“前后相继”的历史。 这是下一章要阐释的内容,第三章 自然界的物质及其存在方式 现代科学视野中自然界的存在图景,本章主要是从空间的角度对自然界考察的结果 主要有两个问题： 1自然界存在着的“是什么”？ 2自然界是“怎样”存在着的？ 分为四节的内容： 第一节 自然界的物质及其形态回答第一个问题 第二节 自然界物质联系的系统方式 第三节 自然界的层次结构 回答第二个问题,第一节 自然界的物质及其形态 自然界的物质观或物质自然观,

3、内容： 一、自然界的物质及其根本特性 二、自然界物质形态的多样性 三、自然界物质形态的统一性 四、物质不灭原理,一、自然界的物质及其根本特性,1 自然界存在着的是什么？ 辩证唯物主义的答案物质 2 自然界物质的根本特性是什么？ 列宁在唯物主义和经验批判主义一书，在给“物质”下定义的时候，给出了明确的答案。 “物质是标志客观实在的哲学范畴，这种客观实在是人通过感觉感知的，它不依赖于我们的感觉而存在，为我们感觉所复写、摄影、反映。” 第一，列宁的“物质”概念肯定了物质的最根本特性客观实在性 肯定了自然界物质的客观实在性，其意义在于： 一方面，肯定了物质对于意识根源性，物质的第一性、本原性 另一方面

4、，肯定了意识对物质的依赖性，意识的第二性、派生性 对自然科学来说，意义重大 自然界物质是自然科学的基础，是不依赖自然科学是否对它研究而存在的 这是进行自然科学研究的最基本的范式或思想。 爱因斯坦： “相信有一个离开知觉主体而独立存在的外在世界，是一切自然科学的基础”。 月亮不管有无人观察它，基本粒子不管有无人研究它，它都存在着,第二，列宁的“物质”概念，肯定了自然界物质的根本特性之二可知性。 自然界中的物质，不管人们感觉是否能够直接感知它们，它们都具有可知性，都是可以被人们所认识的。 如，眼睛的视觉波段是，在“可见光”范围内，“红橙黄绿青蓝紫”，而其它波段，可以借助于其它仪器，照样能够研究它。

5、 如，人们制成的射电望远镜，就能观察在“可见光”范围之外的其他波段，因此天文学在20世纪60年代有四大发现脉冲星、类星体、微波背景辐射、星际有机小分子 第三，列宁的“物质”概念揭示了自然界物质的客观实在性、可知性，是一切物质形态的共性 具有最高的抽象性、普遍性 不管是自然界中被人们认识到的物质，还是自然界中尚未被人们认识到的物质，都具有这两性,二、自然界物质形态的多样性,自然界存在着的是物质，而自然界物质显现出来的是什么呢？是物质形态 自然界的物质形态首先表现出无限多样性 这是物质根本性质的具体展开，是根本属性的具体化 对于“自然界物质形态的多样性”可以从不同的角度，用分类的方法去把握它。 在

6、此，介绍三种分类方法,1.根据有无生命、规模等进行分类：,2. 根据其状态的不同，被划分为六态: 固态：石头、铁块多种晶体 液态：常温下的水、高温下的铁、钢等 气态：大气、水蒸汽 等离子态：当气态物质温度高达几千度时，气体原子中的电子脱离原子，使原子成为带电的离子，这种气体就是等粒子体。 超密态：也称为超固态，各种高密星体、中子星。 中子星密度达：10141015 克/厘米3 矮星的密度为：105108 克/厘米3 真空场：称为基态的量子场 有人认为还有第七种态： 反物质态 如基本粒子的反粒子,3、根据是否具有连续性，分为两类： 实物粒子：是自然界以不连续的、间断的形式存在着的物质形态 大到天

7、体：地球及以上的物质，太阳系，银河系、河外星系、星系团总星系 小到基本粒子：分子、原子、原子核、核子 场：是实物粒子周围存在的一种特殊物质，是自然界以连续的、不间断的形式存在着的物质形态 电场、磁场、引力场、介子场等 场是法拉第提出的。将“场”定义为：它是“以太的紧张状态，如同被压缩或拉伸的弹簧一样。” 这是一种不科学的定义，因为：以太不存在；比喻性、拟人化的解释 实际上，场与实物粒子相对应，是实物粒子周围连续存在物质形态。它也是自然界物质的一种基本形态， 因为： a、场也有质量、能量、动量等基本属性 b、赫兹在19世纪通过实验证明了电磁场的存在 c、麦克斯韦考察：场也是一种客观存在 d、电磁

8、场除波动性外，还有粒子性,场和实物粒子的区别：,三、自然界物质形态的统一性,1. 自然界的物质形态在化学元素上的统一性； 天与地在化学元素上具有统一性 即构成地球上物质的化学元素与构成天体的化学元素是相同的。 对地球上物质的化学元素的认识，归功于近代的化学 对天体化学元素的研究，首先归功于19世界诞生的光谱分析法。 光谱分析法：说明组成太阳、行星的元素与地球上是相同的。 当时发现“氦”，被命名为“太阳上的元素”，后来在地球上也发现了。 20世纪以后，随着射电天文学、空间科学技术的发展，对恒星、银河系、河外星系等的化学元素的分析发现：发现，它们的化学组成与地球上也是一样的。 生命界和非生命界在化

9、学元素上具有统一性 即构成生命体的化学元素与构成非生命体的化学元素是相同的。 现代科学已以揭示出，组成生命的主要元素：C、H、O、N、P、S、Cl、Na、K、Ca、Mg、Fe、最多，占98%。 而还有一些微量元素：锗、硒等，不是1% 这些元素与构成非生命体、无机体的化学元素是一样的,2. 自然界的物质形态在基本粒子层面上的统一性 这是在微观层次上的统一性 人们对微观世界的认识经历了一个漫长逐步深入的过程。 19世纪，道尔顿的原子论、阿弗伽德罗的分子学说，坎尼扎罗的原子分子学说 20世纪初，随着原子物理学的创立，人们探讨原子的内在结构。如汤姆生的原子均匀模型、卢瑟福的原子有核模型、玻尔的原子结构

10、模型 此后，人们又深入到原子核的内部。如海森堡和伊凡宁柯提出原子核的结构理论。 20世纪以后，基本粒子被越来越多地发现，创立了基本粒子物理学。现在人们已经发现了四百多种基本粒子。 为了探讨这些基本粒子的结构，创立了各种“强子”模型：“费米杨振宁”模型、“板田复合”模型、“夸克”模型、“层子模型”等 这样，自然界的物质形态在夸克、层子等基本粒子层次上的统一性，因为这些物质形态都是（夸克、房子）组成的,3. 物质守恒、能量守恒及物质与能量的内在联系，揭示了自然界物质形态的统一性 包含了三个方面： 各种实物粒子之间的转化以及在质量、电荷等方面的守恒性（物质守恒），从实物粒子角度证明了自然界物质形态的

11、统一性 化学领域：水氢气+氧气 表明：物质形态转化，但总质量守恒 原子核物理学：P+en或ne+P+ 表明：质子能转化为中子，中子也能转化为质子，但总质量、电荷数是守恒的,各种能量形式之间的转化与守恒性（能量守恒），从能量的角度证明了自然界物质形态的统一性 能量转化：机械能热能电能光能 能量守恒：总能量不变,质量和能量相互转化的规律，证明了自然界物质形态的统一性； E=mc2 表明： 能量和质量能够转化 转化时，按照严格的比例关系来转化，比例关系是C2 以质量为度量的物质和以能量为度量的运动，具有统一性,4. 实物粒子和场的内在联系，证明了自然界物质形态的统一性 任何物质粒子周围都存在着场，有

12、多少中实物粒子就有多少种场； 如：电荷周围有电场，地球周围有引力场，核子周围有核子场，人的周围什么场？ 任何场都是实物粒子的场，每一种场都有与之对应的实物粒子； 电场，对应着的实物粒子：电荷 磁场，对应着的实物粒子：运动的电荷 实物粒子和场是能够相互转化的。（这在微观领域中非常明确） 电子和正电子相遇，产生“湮灭”现象，实质是转化为光子（场、电磁波） 同样，在核子场中，光子正电子+电子,四、物质不灭原理,1. 原理的内容： 自然界中的物质，就具体的物质形态而言是有生有灭的，但某一物质形态的消亡，必然伴随另一物质形态的产生； 因此，就自然界整体而言，自然界中的物质是某种既成的东西，是既不能创造，

13、也不能消灭的东西，物质本身是不灭的。 这是从质上对自然界物质的特性的揭示 这是对自然界科学大量事实的概括和总结，表现在诸多的科学领域。 2. 表现： 化学领域： H2OH2+O2 反应前后总质量、总能量不变 相物理学领域： 固态冰液态水 前后总质量、总能量不变 爱因斯坦的质能关系式：E=mc2 说明：静止质量和运动质量的变化与守恒。 “质量亏损”说明的是： 静止质量转化为能量（即运动质量）,第二节 自然界物质联系的系统方式 自然界的系统观或系统自然观,内容： 一、系统及系统方式 二、自然界物质系统的类型（多样性) 三、整体与部分：系统的基本矛盾之一 四、涨落与稳定：系统的基本矛盾之二,一、系统

14、及系统方式,1. 什么是系统？ 系统的定义： “系统是由两个或两以上的要素组成的，在一定的环境中，具有特定结构和功能随机整体。” 含义： 系统是由两个或两个以上的要素构成的 要素：构成系统的基本组成部分或基本单元，相对于系统来说，也称为子系统 系统是具有特定结构的整体 结构：系统中各种关系和各种联系的总和 系统是处在一定环境中的整体 环境：是系统赖以存在的各种外部条件的总和 系统是具有特定功能的整体。 功能：系统在外部环境中所表现出来的特性和能力，是系统整体属性的一种体现。 系统功能的分类： 元功能：系统中单一要素所具有的功能； 本功能：元功能的机械相加，或系统中各要素的功能之和； 构功能：系

15、统中各要素以特定的联系表现出来的功能。,2. 什么是系统方式： 定义： 是自然界的事物之间以系统为基础普遍联系的一种方式。 特点： 系统方式具有普遍性 自然界中的任何事物都可以看作是一个系统 宏观上：天体系统 微观上：分子系统、原子系统、原子核系统 生命界：生命系统 系统方式具有复杂性，表现出联系的复杂性 系统要素之间的联系 系统要素与系统整体的联系 系统与环境的联系 系统要素、环境与功能之间的联系,二、自然界物质系统的类型,展示了自然界物质系统的多样性 不同的分类方法，形成了不同的系统类型 1 从系统所处的状态来划分 平衡态系统：系统内部各要素之间没有差别的相互关系 近平衡态系统：系统内部各

16、要素表现出线性相互作用关系 远离平衡态系统：系统内部各要素表现出非线性的相互作用关系，是新的有序结构产生的必要条件。,2 从系统与环境的关系来划分 孤立系统系统与外界环境没有物质、能量的交换（如熵增加原理就是揭示了孤立系统的规律） 封闭系统系统与环境没有物质交换只有能量交换的系统 开放系统系统与环境既有能量交换，也有物质交换,3 从系统内部实际发生的过程来划分 物理系统：物理学所研究的系统。 如热机系统、电机系统 化学系统：化学研究的系统 如分子系统 生命系统：生物学所研究的系统 如：各种动物、植物系统 社会系统：社会科学研究的系统 如：经济系统、生产系统、商业系统、交通系统、属于社会科学研究

17、的范围,4 从系统内部各要素相互作用特点来划分 线性系统：系统内部各要素的关系是线性的。 非线性系统：系统内各要素的关系是非线性的,5 从人和自然物的相互作用角度来划分 天然系统：人未参入的自然系统 如：类星体，墨洞、河外星子所构成的系统 人工系统：人工制造的多种系统 如：发电机、电动机、拖拉机、汽车、轮船、飞机、火箭 主要表现为主体属性，是人的本质力量外化的产物。 复合系统：人部分参入的系统 如：农田系统：农田、水利、改良的新品种 主客体属性都得到显示，相近或相当,6 从人对自然界的认识程度来划分 黑系统：人对系统结构一无所知； 灰系统：人对系统结构部分认识； 白系统：人的系统结构全部认识。

18、,7 从系统规模来划分 微观系统：分子系统以下的系统； 宏观系统：地球及其上的系统； 宇观系统：银河系以外的系统； 渺观系统 胀观系统,三、整体与部分：系统的基本矛盾,1 整体和部分的含义 整体：是指构成系统的诸要素和关系的全部总和。 进一步讲，它是系统的组成、结构、性质、功能以及多样性联系的辩证统一体。 部分：是指整体中的各个要素和各种关系。 它既可以是整体中的某一要素、某一关系 也可以是某些要素的组合、关系的组合,2 整体和部分的关系 概括地讲，二者是辨证统一的关系 展开来看，二者的关系是： （1）就其组成而言 二者的关系是： a、整体以部分为基础 没有有部分就形不成整体； b、部分以整体

19、为前提 没有整体，部分也就不是整体的部分，部分就失去了意义。,（2）就其功能而言 其关系表现在以下三种情况： a、整体大于部分之和 这是从质上来讲的，它是指整体的各个部分有机组合、互相协调，就在功能上产生了大于部分功能之和的新质。 “三个臭皮匠，也等于一个诸葛亮” b、整体小于部分之和 这也是从质上而言的，是指整体中多部分互相牵制，使部分的功能不能很好地发挥，在整体功能上产生了小于部分功能之和的新质。 “一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃” c、整体等于部分之和 这是从量的角度而言的，是指由部分机械组合的整体，整体功能就等于各个部分的功能之和。 一堆苹果，一堆石头等。,第三节 自然

20、界的层次结构 自然界的层次观或层次自然观,内容： 一、层次结构及其特点 二、自然界的基本层次 三、层次结构的结合度递减律 四、层次结构因果链,一、层次结构及其特点,1 层次结构的定义： 层次结构是指由若干要素经相干性关系构成的系统（即低层系统），再通过新的相干性系统而构成新系统（即高层系统）的逐级构成的结构关系。 简言之，层次结构是由低层系统再构成高层系统的逐级构成关系。 低层系统：是由若干要素经过相干性关系构成的系统。 高层系统：是由若干低层系统为要素经过相干性关系构成的新系统。 因此，层次结构就是指低层系统、高层系统、更高层系统的逐级构成关系。 如：,2 层次结构的特点 （1）低层系统对高

21、层系统具有构成性关系 这反映了物质系统间的纵向关系（不同层次的系统之间的关系） 从以下四个方面来理解： A 低层系统是高层系统的构成部分，是高层系统的基础 离开了低层系统，高层系统就不复存在了 B 高层系统是由低层系统构成的，是低层系统的保障 离开了高层系统，低层系统也就失去了原来的意义。 C 层次结构中的这种构成性关系，在纵向上将系统区分为多级结构、多级功能和多级环境 这要求研究系统时，要多层次地分析、综合。 既要研究其所处的高层系统，也要分析其底层系统 D 同一结构内的分层排布现象，不存在层次结构，不存在构成性关系，因而不属于层次结构范畴 如原子核外电子的分层分布，K、L、M、N层，同一层

22、的S、P、D、F亚层，同一亚层中的不同轨道的排列。这只反映了原子空间结构上的特点，而多层之间不存在构成关系，因此不是层次结构，它不具备构成性关系。,（2）同一层次的系统之间具有相干性关系 这反映了系统之间的横向关系（同一层次的系统之间的关系） 在理解这一关系时，应注意： A 各个低层系统只有通过相干关系，通过非加和性关系，才能构成高层系统。 如原子核和电子只有通过相干性过程，才能构成原子 原子核和电子的简单相加并不是原子。 B 正是通过这种横向的相干性关系，才导致了层次结构的质的差别，导致了高层系统的新质的产生。 原子核和电子，通过相干性关系，构成具有新质的原子。 原子和原子，通过相干性关系，

23、构成具有新质的分子，等等 因此，相干性过程是构成性关系的基础。 C 低层系统间的相干性关系比高层系统之间的相干性关系并不一定简单，甚至更复杂。 如：原子核和电子的相干性关系比原子之间相干性关系更复杂。,二、自然界的基本层次,非生命世界的层次结构（两观系统）：,（三观系统）,自然界的层次结构,三、层次结构的结合度递减律,1、层次结构结合度的定义 在层次结构中，各层系统内部诸要素相结合的紧密程度。 紧密程度高，则结合度大；反之，结合度小。 2、层次结构结合度递减律的内容 在自然界物质系统的层次结构中，随着层次由低到高推进，各层的结合度出现了由大到小的递减趋势。 简言之，层次结构的结合能与层次尺度成

24、反比 如下表所示：,尺度越大，层次结构越高，而结合能越小 反之，尺度越小，层次结构越低，而结合能越大,E/m：结合能与被结合物质质量之比,eV：电子伏特 （能量单位）,3、层次结构结合度递减律的意义 有四： （1）结合度递减律是维持层次结构相干性关系和构成性关系的原因 换句话来说，结合度如果不随层次增高而递减，那么高层系统在形成时，必然破坏低层系统。 低层系统破坏了，高层系统便不能形成。 （2）结合度递减律是高层系统在解体时，低层系统仍具有稳定性的原因 如：用化学方法，使分子（高层系统）解体时，原子（低层系统）仍然是稳定的。 H2O2H+O 分子解体后，H、O仍然稳定 用物理学方法，使原子（高

25、层系统）解体时，而原子核仍是稳定的 生命体（高层系统）解体时，构成生命的分子（低层系统）仍具有稳定性。 否则，系统在解体时，不是首先破坏高层系统，而是首先破坏低层系统这显然不符合事实。,（3）结合度递减规律，能够使自然界的物体在稳定的低层结构系统基础上建立新的高层结构系统成为可能 生命的进化过程： 从无机小分子有机小分子有机大分子生命体（大分子体）的化学进化过程便证明了这一点。 同样从核子原子核原子分子的序列也体现了这一思想。 （4）结合度递减体具有重要的科学方法论意义 表现在：在研究高层系统的结构时，可以将低层系统看作是黑箱（ 泌要了解低层系统的组成，结构等） 这样，便于将注意力放在只研究高

26、层系统的结构。 如： 在研究原子时，将原子核、电子看作黑箱 在研究原子核时，将质子、中子看作黑箱 在研究基本粒子时，将夸克、层子看作黑箱 否则，难以对自然事物的系统进行研究,四、层次结构因果链,1、层次结构因果链的定义 是指低层系统和高层系统互为因果所构成的因果链条。 由层次结构的特点所决定，层次结构的因果链是双向的，即包括： 上向因果链 下向因果链,（1）上向因果链：低层系统及其相干性关系作为原因，可以在高层系统中引起一定的结果，层次结构的这种链条叫上向因果链。 用低层系统及其相干性关系（原因），说明高层系统的性质（结果） 质子、中子（原因）原子核的性质（结果） 原子核、电子（原因）原子的性

27、质（结果） 原子（原因）分子的性质（结果）,（2）下向因果链：高层系统作为原因，可以在低层系统中引起某些结果，层次结构的这种链条称为下向因果链 。 用高层系统（原因），说明低层系统的性质（结果） 分子（原因）原子的性质（结果） 原子（原因）原子核及核外电子的性质（结果）,2 双向因果链的意义 上向因果链说明了低层系统对高层系统的基础性作用 实质是以低层系统为原因来解释高层系统的结果； 下向因果链说明了高层系统对低层系统的支配和调节作用 实质是以高层系统作为原因来解释低层系统的结果 双向因果链具有非常重要的科学方法论意义 它要求人们在研究自然界的某一物质系统时，既要沿着下向因果链寻找高层系统的原因，又要沿着上向因果链，寻找低层系统的原因。,谢谢大家！,