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自组织 所谓的自组织是指，其特定的结构和功能的形成不是按照某种指令来完成的，而是由于系统内部各要素彼此之间具有协调、相干或自发的默契行为，那么这种形成特定结构与功能的过程就叫做自组织。 自组织理论 自组织理论包括耗散结构理论、协同学、混沌理论、超循环理论等。这些理论尽管研究的具体对象和依据的理论背景各不相同，但是它们共同主题就是力图揭示自然物质系统演化过程中普遍存在有序状态和无序状态相互转化的机制和条件。 可逆与不可逆： 一个系统经过某一演化过程，从某种初始状态达到另一状态，如果存在着另一过程，使该系统与外部环境完全回到原来的初始状态，则原来的过程称为可逆过程，或称该过程可逆。 如果不存在使该系统与外部环境完全复原的过程，则原来的过程称为不可逆过程，或称该过程不可逆。 不可逆与时间之箭： 可逆意味着时间流逝没有实质的物理意义，意味着演化不存在。 在现实的自然物质系统中，不存在严格的可逆过程。热传导、化学反应、分子扩散、物种进化都是不可逆过程。 不可逆使演化成为可能，不可逆演化的方向就是时间箭头。 熵 有序 无序 克劳修斯热力学第二定律表明孤立系统的熵自发地增加到最大值。 熵是系统无序程度的表征。 对于开放系统，有 dS=diS + deS diS为系统熵增， diS ? 0； deS为熵流， deS 0 或 deS 0 若deS0，即负熵流，且|deS| diS 则 dS 为负值，即系统的熵减少，有序程度提高。 进化与退化 进化一般是指系统演化由无序到有序、由低序到高序的趋势和过程。 退化一般是指系统演化由有序到无序、由高序到低序的趋势和过程。 热力学第二定律反映了孤立系统的退化，并由此得出“宇宙热寂”的结论。进化论揭示了生物由低级向高级进化的过程。因此，热力学与进化论存在着矛盾。 现代宇宙论描述的也是一个进化过程。 耗散结构理论的形成： 1969年普利高津 （ Ilya Prigogine）在“理论物理与生物学”国际会议上首次提出。 普利高津考察了贝纳德效应： 贝纳德蛋卷 ?tc 硅黄 贝纳德花纹 形成耗散结构的条件： （1）开放系统，有负熵流入； （2）远离平衡态； （3）系统各要素之间存在非线性相互作用； （4）涨落被正反馈放大； （5）随机涨落。 协同学 1969年 德国物理学家 哈肯 协同学综合地考察了自组织发展的各种内部因素的作用，发现了系统内部大量子系统的竞争、合作产生的协同效应，以及由此带来的序参量支配过程，是系统自组织的动力。 混沌理论 ——自组织演化的复杂性 混沌理论是20世纪60年代开始发展起来的。主要创始人洛仑兹(E.N.Lorenz）。 混沌（chaos）的涵义：混沌是一种确定的系统中出现的无规则运动。 一个过程看起来是随机发生的而实际上其行为却由精确的法则决定。包含着丰富的产生有序能力的系统处于最无序状态。 倍周期分岔 柯赫曲线 分形 自相似 分维 丢勒图形 蝴蝶效应 在巴西的蝴蝶拍打翅膀会引发得克萨斯州的一场龙卷风吗？ 混沌态是指具有确定演化规律却无法预测其演化结果的系统。 混沌态的动力学方程对初始条件极其敏感，微小扰动会导致定性不同的结果。 由于大气环流是一个混沌系统，因此长期天气预报是不可能的。 超循环理论——自组织演化的形式 艾根 德国化学家 循环是一种普遍的客观现象。由A和P组成的系统，A P，宏观地看，系统内部各要素之间的线性或非线性相互作用就成了循环组织形式。平衡循环是 一种可逆循环，是一种“死” 系统。 系统科学的方法论启示： （1）从还原论到整体论的转变； （2）从简单性向复杂性的转变； （3）从线性向非线性的转变； （4）确定论与概率论两套描述体系从对立到沟通。 系统科学方法的作用： （1）提供新的思维模式，推动科学和技术的整体化、综合化。 交叉学科 边缘学科 横断学科 自然科学与社会科学 科学文化与人文文化 （2）提供研究复杂系统和宏大系统的有效工具。 （3）为制定最佳方案、实行优化组合和优化管理提供有效手段。 自然观在自然科学研究活动中的作用 1、自然观为科学理论的建构提供总的蓝图，提供哲学背景。 2、自然观为科学方法提供合理性依据。 3、自然观对认知价值观的形成和取向有一定的影响。 * *