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1、第四节、物质系统的演化,自然界不仅存在着，而且生成着并消逝着。 生成与消逝的不断更替，便构成了自然界的演化链条。 要揭示自然界的奥秘，展示自然界的图景，除了把自然界作为一种存在来把握，还必须把自然界当作一种过程来理解。,一、自然界的演化过程,根据目前已确认的科学事实和比较公认的科学假说，我们可对自然界的演化过程作出一个大致的描述。,(一)宇宙和天体的起源与演化,1、宇宙起源与大爆炸假说 关于宇宙起源的认识主要来自于伽莫夫“大爆炸假说”及其修正。 而形成后的宇宙的演化先后经历了基本粒子形成阶段、辐射阶段或核合成阶段、实物阶段。,2、恒星演化与弥漫说 恒星的演化，按目前广为接受的弥漫说，一般要经历
2、以下几个阶段： 引力收缩阶段(包括快收缩阶段和慢收缩阶段)：主序星阶段；红巨星阶段；脉动阶段；爆发阶段和高密阶段等。 在恒星演化的特殊阶段和特定条件下，在宇宙之一隅出现了太阳系以及作为太阳系一个成员的地球。,恒星的起源和演化,星际弥漫物质 星云 原恒星 引力收缩（红外星） 主序星 红巨星 白矮星 超新星爆发 黑矮星 星际物质 中子星 黑洞,巨大的星云,星际空间普遍存在极稀薄的物质，由于分布不均匀而往往分裂成团块，并向中心凝聚，成为弥漫星云。 弥漫星云在逐步凝聚收缩过程中进一步分裂，变成体积和质量更小而密度却更高的小球状星云。 星云很庞大，半径起码有好几光年。它的外原物质自由地向中心坠落，收缩进
3、行得相当快，但也需几百万年的时间才能落到中心区。随着快收缩过程的进行，星云内部的密度迅速增大，温度快速升高，气压也相应增强，随之发生一系列的反应，使外原物质下落的速度和小球状体的收缩速度减缓，即进入慢收缩阶段。 星云的形状各异，人们用肉眼只能看到一个猎户座大星云。,Eagle星云,哈勃拍摄的行星状星云NGC7027,原恒星,一般把处于慢收缩阶段的天体称为原恒星。慢收缩开始后，中心区受强烈压缩而升温并发出热辐射，直到最后中心温度升到约800至1000万度以上，由氢原子核聚变为氦原子核的热核反应提供足够的能量，使内部压力与引力处于相对平衡状态，一颗恒星就正式诞生了。 原恒星进一步形成恒星的收缩过程
4、要持续几百万到几千万年。,恒星以内部氢核聚变为主要能源的发展阶段就是恒星的主序阶段。处于主序阶段的恒星称为主序星。主序阶段是恒星的青壮年期，恒星在这一阶段停留的时间占整个寿命的90%以上。这是一个相对稳定的阶段，向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀。恒星停留在主序阶段的时间随着质量的不同而相差很多。质量越大，光度越大，能量消耗也越快，停留在主序阶段的时间就越短。例如：质量等于太阳质量的15倍、5倍、1倍、0.2倍的恒星，处于主序阶段的时间分别为一千万年、七千万年、一百亿年和一万亿年。目前的太阳也是一颗主序星。太阳现在的年龄为46亿多年，它的主序阶段已过去了约一半的时间，
5、还要50亿年才会转到另一个演化阶段。,(二)地球的演化,地球是在太阳系形成的过程中诞生的，迄今的历史约46亿年。在这期间，地球发生了一系列的变化。 1、地球内部圈层的演化 2、地球外部圈层的演化 (1)大气圈 (2)水圈 （3）岩石土壤圈,地球的演化史 地球已经是一个46亿的老寿星了，她起源于始太阳星云。地胎形成时温度比较低，也没有分结构。后来由于陨石轰击、放射性衰变发热和地的内部重力收缩，才使地球温度逐渐增加。 随着温度的升高，地内部物质也越来越具有塑性，而且局部熔融现。这时，在重力作用下 ，地球外部较重的物质逐下沉，内部较轻的物质升。液态的铁等重元素到了地球中心，形成地。而后，由于地球内部
6、对流和化学离，就逐渐形成了地壳 、地幅、地核等层次。 地球形成初期，原始气全部跑到了宇宙空间 。后来，随着地球内部物的重新组合，加上温度高，使地球内部气体上到地面，形成第二代地大气。生命出现以后， 由于绿色植物的光合作用 ，进一步发展为现代的大。 随着温度的升高，地内部的结晶水汽化，进大气层。后来温度降低 ，气态的水便凝结、降雨 ，落到了地面，形成了海。约在30-40亿年前 ，地球开始出现单细胞生，后来逐渐进化，出现各种生物。,地球的演化,天文时期,地球内部圈层的形成和演化 地球外部圈层的形成和演化,地质时期,垂直运动 水平运动,大陆漂移说 海底扩张说 板块构造说,早期的地球地核,地球演化的不
7、可逆性,地球演化的不可逆性 总之，宇宙中地球的各圈层地核、地幔、地壳、大气圈、水圈与生物圈，都是在相互作用下，不断地由简单到复杂、由低级到高级的演化发展，并按照各自的规律(自组织性)、不可逆地、前进式的演化。 耗散结构论和协同论指出，自然界非平衡的约束与非线性动力学机制同时作用于开放的耗散系统，使系统自发地由简单趋于复杂，由无序走向有序,板块漂移,(三)生物圈:生命起源和生物进化,生命是蛋白质和核酸多分子体系存在的一种方式，它是由非生命物质在原始地球环境中经过长期的演化而形成的。 1、原始生命的诞生 在原始地球条件下，当具有催化功能的原始蛋白质和能起模板作用的原始核酸一旦产生并结合为多分子体系
8、时，真正的原始生命就随之诞生了。,2、生物进化与人类起源 原始生命出现以后，又经历了从非细胞到细胞、从原核细胞到真核细胞，再到单细胞生物进化成多细胞生物，进而分化成动物和植物。 在适宜的环境中，植物沿着菌藻植物苔藓和蕨类植物裸子植物被子植物的方向进化；动物则沿着无脊椎动物脊椎动物的方向发展，直到人类的出现。,生命的起源和生物的进化,起源 ：简单小分子 有机小分子 生物大分子 原始生命 演化：细胞的形成 真核细胞的出现 多细胞体的形成 动物、植物、细菌的分别进化 动物 植物 细菌,光合作用,生命的演化历程,等构成生命的主要元素之时起。,碳、氢、氧、氮、硫和磷这六种生命元素构成了地球上生物体物质总
9、量的98% ，而这些元素是伴随着宇宙起源和演化过程而产生的。宇宙的状态和宇宙物质运动的基本规律法则的特殊结合造成了生命起源和演化的可能性。,四纪初出现了真正的人类，从而有了人类及其文化、社会形态。,二、自然界演化的基本特征与规律,演化的不可逆性 演化的两种分支：进化与退化 演化的根据和条件,演化的不可逆性,自然界的演化是以物质系统的要素、结构、功能等方面的新旧交替为标志的，这种新旧交替有不可完全逆转的性质，且具有普遍性。 一个物质系统从某一状态出发，经过某一过程达到另一状态，如果存在一个反过程，它能够使该物质系统和外界环境完全恢复，即物质系统回到原来状态，同时消除了原来过程对外界环境引起的影响
10、，则原来的过程为可逆过程。 反之，用任何方法都不可能使物质系统和外界环境完全复原，则原来的过程为不可逆过程。,功热转化不可逆,可逆性,刻画过程的概念 两种以上状态构成的过程 刻画过程可复原性的概念 状态及其环境均可复原,逆过程,不可逆不意味其逆过程不存在 逆过程环境以环境变迁为代价,麦克斯韦妖,可逆过程 时间反演对称 过去、现在、未来无差异 没有历史，也无演化 不可逆过程 时间对称破缺 新现象、新结构不断出现 有了真正的历史,“时间之矢”,纵观科学史，热力学第二定律（亦简称熵增定律）占据着非常独特的地位：与其他一切物理学基本规律不同由于它强烈地显示着时间的箭头而被爱丁顿（AEddington）
11、称为“时间之矢”,演化的两种分支：进化与退化,自然界的任何物质系统都要经历产生、成长、衰落、毁灭的历史过程。 所有这些演化均可以归为两大类：进化与退化。 一般认为，进化对物质世界更具有积极意义。 但是，人类最早精确认识并深入研究的演化现象却是退化。,退化,所谓退化，是指物质系统由有序向无序、由高序向低序的演化过程和趋势。 退化的理论根据就是热力学第二定律。 这一定律指出，在一个孤立系统中，任何物理过程或化学过程总是导致熵的增加，系统最终达到一个具有极大熵值的平衡态，而且这种熵增过程是一个不可逆的自发过程。 退化过程就是熵增过程。,进化,进化是指物质系统由无序到有序、由低序到高序的演化过程和趋势
12、。 进化的根据则是生物进化论与自组织理论。 根据自组织理论，一个系统具备以下条件就会进入有序状态：必须处于远离平衡的状态；必须是一个开放系统；形成有序结构的各要素之间存在着非线性的相互作用；系统中存在正反馈；涨落和突变是产生有序状态的条件。 进化过程就是熵减过程。,进化与退化的关系,进化和退化是自然界中广为存在的两种趋势和过程。 当代科学对进化的深入研究表明，进化与退化是不可分割、辩证统一的。 1、进化与退化相互包含 2、进化与退化互为条件 3、进化与退化依据一定条件以互相转化,自然界演化的周期性,自然界演化发展中有序与无序的不断转化，进化与退化的不断交替，便使其呈现出周期性规律。 周期性是事
13、物随时间的变化，表现出形态的相似、性质的相同、结构的重复、过程的重演等向其原来出发点的回归现象。 自然界演化的不可逆性，决定了这种回归不是简单的重复，而是辩证的否定之否定过程。,周期性的表现,物质系统演化的周期性，在自然界中是普遍存在的。 恒星经历的“星云恒星星际弥漫物质新一代恒星”的演化，海底地壳经历的“地壳地幔新的地壳”的演化，全球气候经历的“温暖期寒冷期温暖期”的演化，都体现出这种周期性。 至于像天文学中太阳黑子爆发的周期，生物学中生物世代繁衍的周期等，则在自然界中随处可见。,地球演化的周期性 各种时间尺度的周期性变化,2.17、4.1、9.5 万年 近日点进动,黄赤道交角变化,地球轨道
14、偏心率变化；冰期和间冰期、沉积韵律等。 1000 - 1400 年 九星地心会聚长周期；固体潮，地震，火山作用等。,140 - 180 年 九星地心准会聚周期；固体潮，地震，火山作用等。 60 年 四大行星力距效应,地球公转半径变化；厄尔尼诺；“天干地支”；固体潮，地震，火山，核-幔耦合作用等。,29.8 年 地球自转速率变化，极移；内核振动周期。 11 年 太阳黑子活动，地球自转速率变化；厄尔尼诺；磁暴；地震活动短周期。 1 年 地球公转一周；日幅射周年变；生长季节变化；固体潮。 13.1- 14.76 天 月球半月潮；大气超长波变；半月潮；固体潮，余震。 1 天 地球自转一周；日幅射；半日
15、潮；生物钟；固体潮。,周期性的证据,这些具体物质系统演化周期的形成机制，已由相应的各门自然科学加以阐明。 而系统科学尤其是自组织理论的发展，又为解释一般周期的形成机制提供了新的富有启发意义的思考途径。 耗散结构、协同学、超循环等非平衡自组织理论认为，一个远离平衡的开放系统，通过与外界环境交换物质和能量，从环境中获得负熵流来抵消系统内部的熵产生，就可能从一种混乱无序的状态演化成为一种稳定有序的结构。 同样，非平衡自组织理论也揭示了通向混沌的道路，说明了系统从有序向无序的转化过程。,结语,自然界的演化不但存在周期性，而且存在无限循 环的可能。 正如恩格斯指出，当自然科学的发展水平难以解决这个问题的
16、时候，必须借助哲学思维的帮助才能使自己的自然观成为一个和谐的整体。 如果我们从质的不灭性方面来理解物质不灭原理和运动不灭原理，自然界的演化图景就只能是周期性的无限循环发展。,演化的根据和条件,演化的内部根据 演化的外部条件 演化的诱因条件,演化的内部根据,演化的内部根据：相互作用 动态过程进行的原因：物质能量信息交换 系统存在根据：稳定的相互作用 系统演化根据：要素的结合方式 线性相互作用与非线性相互作用 线形：量与量之间的关系可以表示为一次幂，直 角坐标系中图像为一条直线,演化的内部根据,线性相互作用与非线性相互作用的区别： 叠加与相干-相干效应，新质突现的可能性 单解与多解-分支效应，稳定
17、分支对应特定结构 均变与突变-临界效应，系统巨变的可能性 非线性相互作用的系统具有走上熵减分支的内在根据,演化的外部条件,外部条件作用 开放是有序之源 充分开放，提供物质、能量、信息的条件 选择和调节系统中的相互作用方式 （恢复、保持、扩大差异）,演化的外部条件,外部条件的三种情况（外部动力充裕度） A 缺乏外部条件 封闭，熵增；平衡 B 外部条件不充分 一定开放性；线性；近平衡 C 外部条件充分 大量物质、能量的流入；远离平衡；非线性；熵减,演化的诱因条件,诱因 ：引起重大结果的微小原因 奇点效应 蝴蝶效应 涨落： 引起系统向有序方向演化的诱因 涨落的作用 触发系统失稳 放大机制 引导分支选
18、择 随机涨落选择 孕育新结构胚芽 稳定了的巨涨落,何谓蝴蝶效应？,美国麻省理工学院气象学家洛伦兹（Lorenz）为了预报天气，用计算机求解仿真地球大气的13个方程式。为了更细致地考察结果，他把一个中间解取出，提高精度再送回。而当他喝了杯咖啡以后回来再看时竟大吃一惊：本来很小的差异，结果却偏离了十万八千里！计算机没有毛病，于是，洛伦兹（Lorenz）认定，他发现了新的现象：“对初始值的极端不稳定性”，即：“混沌 ”，又称“蝴蝶效应”，亚洲蝴蝶拍拍翅膀，将使美洲几个月后出现比狂风还厉害的龙卷风！,演化的诱因条件,演化的三大因素 非平衡-结构 非线性-功能 涨 落-随机,普利高津结构功能涨落图,（决定论的） 功能 结构 涨落 （随机的）,