第三章自然界的演化规律.pptVIP

第三章 自然界的演化规律 自然界演化发展的历史，也是自然规律发挥作用的历史。自然界的演化究竟受哪些规律的影响和支配？这是需要运用多学科的认识成果，从多角度进行分析总结的。从演化的过程看，它受时间之箭的影响和支配，具有可逆与不可逆的对立统一性；从演化的动因方面看，它受系统内外条件的影响和制约，具有线性与非线性、自组织与他组织的协同性；从演化的状态和形式看，它表现为进化与退化、有序与无序、循环与超循环的多种形式的复杂性。本章对这些基本规律将作进一步考察。 第一节 自然界演化的时间性 自然界的演化与时间的关系，直接的表现形式是随着时间的推移，自然界物质的存在方式发生了变化。但在经典物理学中（如牛顿力学和爱因斯坦的相对论）时间的作用却被忽视了，牛顿引入时间概念来解释运动，将运动定义为位置随时间的变化，但时间这个基本概念是什么，却缺乏界定。 对时间和物质存在方式的之间的关系的讨论，使爱因斯坦提出了相对论，可是相对论本身并不能对时间进行方向性区别，把正的时间换成负的时间时，度规结构（它决定了时空的几何性质）以及由它而来的运动方程都保持不变；给出在任一时空坐标上的条件后，宇宙的整个历史和将来都可以计算出来，但人们运用相对论思想研究宇宙起源时却发现存在奇点的困难，也就是说相对论在解释自然界的最初状态和演化的方向等方面仍是无效的。 但现实世界中，无论是热力学的熵增现象，还是生物学的进化现象，都表明自然演化具有时间性的特征。如何将传统理论中包含的可逆性和不可逆性协调起来，一直是科学界和哲学界普遍关注的问题。 一、可逆与不可逆 可逆性是指事物在经过变化之后，仍能回复到以前的状态，因此系统科学长将可逆性称为回归性。严格的回归性要求完全回复到初始状态，一般的回归性只要求回到该状态的附近。有限次回归后便逃逸掉的状态，仍不能算是具有回归性，只有在t→∝过程中无限次的回归到其附近的状态，即永不逃逸的状态，才真正具有回归性。从这个要求来看，世界上根本没有绝对的真正的可逆变化。 传统科学为了将复杂性的问题简单化处理，常常将不可逆性因素舍弃不予考虑。这样就出现了上面我们所说的经典物理学和相对论都没有讨论时间反演状况下的物体运动规律的变化。 现代物理学在这方面进行了极其艰苦的探索，使这一状况获得了明显的突破。狄拉克的正电子在时间上具有向后退行的特征，费曼的电子理论需要不同的时间方向同时存在。吕德斯（G-Luders）于1954年，泡林于1955年分别提出了CPT定理，该定理对物质与反物质、空间对称性和时间的方向性作了最理想的处理和解释。这个定理来源于一些定律的对称性，把任何过程中的粒子换成反粒子、把该过程换成它的镜像、以及把时间倒转这三个变换同时操作的情况下，这些定律保持不变。即C电荷共轭，它把物质转换成反物质；P空间反演，它把空间坐标转换成它的镜像；T时间反演，它把时间方向倒转。CPT定理断言，物理规律预言了在一种“泛镜像”世界中的等量但相反的事件；它同时可以说明，时间对称性是如何可能被破坏从而产生出时间箭头。 在微观基本粒子物理世界中，有一个奇特的现象，被认为是破坏了时间两个方向之间的对称性，这就是克罗宁（J-W-Cronin）和(V-L-Fitch)发现的长寿K介子的衰变过程。（他们因此获得1980年诺贝尔奖）在大多数衰变中，K介子生成一个负的π介子、一个正电子和一个中微子，这一过程的CP对称性被证明是保持不变的；然而K介子同样也可以衰变为（大约在10亿次衰变中有一次）一个正的π介子、一个电子和一个反中微子，这时候CP对称性就会受到破坏。按照CPT定理，T对称性在这罕见的过程中也同样受到破坏：时间可逆的事件被禁止，过程成为不可逆的，时间箭头便显现出来 按照基本粒子物理学的对称自发破缺规则，规范场的对称自发破缺的后果就是规范场量子获得了质量。在物理上一个简单例子是铁磁体的有序无序相变，在温度高于居里温度时，铁磁体的分子磁距是无规则的；如将其温度降至居里温度之下，分子磁距在单畴范围内取某一方向有序排列。经过对称破缺的宇宙，开始了一个新的相边过程，即进入暴涨时代。在这样的物质世界中，系统的演化具有完全不可复原的特征，就是我们所讨论的不可逆性。 现实的自然过程严格的说都是不可逆过程。不仅热传导、质量扩散、粘滞流动、功热转化、化学反应、生命发育、物种进化是不可逆的，即使经典物理所研究的单摆、弹性碰撞、等温过程、绝热平衡过程等在考虑摩擦、辐射等因素时也是不可逆的。由此看来，可逆性是相对的,不可逆性是绝对的。但对于具体的过程来说，不可逆过程也往往包含着某些可逆的因素,功热转化在能量品位上是不可逆的，但转化能力却有可逆性；化学反应在总体上是不可逆的，但生成物依然可以复原为反应物；生长发育和衰老是不可逆过程，但机体的协调性和组织性却经历着由低到高和由高到低