2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、第五章系統科學思想簡介環境系統是具有生物學屬性本節講述的主要內容:這世界到底是什么樣的他組織還是自組織系統科學思想怎么來的?發展史系統屬性是怎么描述的?基本原理人應該怎樣來研究系統?系統的基本規律系統思想對宇宙的解釋?宇宙觀一、西方傳統系統思想1.古希臘的系統思想畢達哥拉斯(約前570約前490),數字體系的和諧代表著宇宙(社會和音樂)和諧,數學關系代表著宇宙關系;豆子故事。德莫克利特(約前460約前361),古希臘原子論的創立者,肯定

2、了系統總是有要素構成的,終極要素構成系統,也決定了系統。亞里士多德(前384約前322),古希臘哲學集大成者,設想了一個球層結構的多層次宇宙,比較完整地描述了‘天旋地靜’的宇宙圖景。他承認并尋找運動的動力(WHY),即“第一推動”。認為人、生命界、無機自然界都是有目的的;整體大于部分總和。2.近代科學與系統思想哥白尼(1473—1543),對自然界進行以數學為工具的、深入的、細致研究。伽利略(1564—1642),開創了實驗和數學的方法

3、,把力學規定為僅僅運動怎樣發生(HOW),而不問運動為何發生(WHY),奠定了經典科學的傳統。笛卡兒(1596—1650),解析幾何,自然界具有統一性的物質世界,上帝的第一次推動使混沌狀態的物質微粒形成了旋轉運動。著名的命題“我思索所以我存在”、“動物是機器”?!鞍央y題分成盡可能多和必要的部分以便最好的分析加以解決”思想,統治了西方科學350年。牛頓(16421727),世界靠萬有引力連接,再加上三定律,物體的運動狀態就可以推算了。整個

4、世界是一個秩序井然的機械系統。機械體系的運轉不需要上帝,但最終要上帝為這個機械系統上緊發條,做“第一次推動”。萊布尼茨(1646—1716),《單子論》構造了近代自然科學的追求線形規律。反對把有機體與機械等同,原因是神和人技藝上必定存在差別。拉普拉斯(1749—1827),設想了一個全知全能的妖精,把機械決定論表述為理想。近代科學的開創者們所開創的機械系統,最終就不得不被某種(神仙或上帝)系統組織起來,這個系統一旦組織起來,就會永遠不變

5、地運行下去。3.德國古典哲學中的系統思想德國古典哲學包括:康德到黑格爾德古典唯心主義和費爾巴哈的人本學唯物主義??档?1724—1804),自然科學太陽系的星云假說,稀薄物質,經引力和斥力作用,使之旋轉最終形成太陽系,宇宙也是一個大的系統,這是一種系統的自組織的宇宙觀。黑格爾(17701831),指出系統與要素的內在聯系具有歷史和層次性、世界是過程的集合體、部分之間存在對立統一競爭。4.馬克思(1818—1883)論述整體大于部分總和的

6、基本原理,在社會科學中,應用現代系統方法。恩格斯(1820—1895)預示了系統思想興起和發展的必然性。二、現代系統思想的興起1.新的矛盾出現①近代科學以原子論為研究綱領。相信整體事物可以拆分為部分來研究和加以理解;復雜性的事物經過不斷的分析就可以歸結為簡單的東西來加以研究和理解;非線性問題總可以歸結為或近似地歸結為線性問題來解決。規律性就歸結為機械決定規律,如同傳統上的牛頓力學的理解,只要知道了質點的初始條件和運動方程,其過去和未來就

7、可以精確求解出來。如時間符號t=t方程不變。對于時間是可逆、對稱的,牛頓方程可以決定未來,也可以決定過去。在熱力學領域:熱力學第一定律,表述了能量的轉化與守恒;熱力學第二定律表述了能量傳遞的方向(溫度高向溫度低)。②現代科技革命以物理學為先導。相對論:低速到高速,相對時空取代絕對時空;量子論:從宏觀推進到微觀、以間斷補充連續;統計力學:從可逆推進到不可逆、以復雜取代了簡單,熱力學領域。③矛盾表現大量粒子組成的熱力學系統的宏觀是不可逆的(

8、熱力學傅立葉方程),單個粒子的運動過程服從牛頓定律、是可逆的。這種可逆的微觀動力學方程和不可逆的宏觀運動之間的矛盾。熵增原理,標志著一個孤立的系統總是朝向均勻、簡單、消滅差別的方向發展,如果我們把宇宙作為一個系統,總體上應該走向退化,最終達到一個種種物理差別不復存在的死亡狀態。進化論:復雜有機體從無機發展而來、進化從簡單到復雜。建立在牛頓力學上的熵增原理無法解決此矛盾。原來理論的維護:機械論:純粹用物理和化學原因來說明生命、生理和心理現

9、象,一種原因只能有一個結果?!D懺c胚’實驗,半個‘原腸胚’可以發育成一個完整的幼蟲(按機械論理論應該發育成不完整的幼蟲)。維護現有的科學體系,做如下解釋解釋活力論:生物體內有超物質(超自然)的活力支配體內的物理化學反應,無機界與有機界存在不可跨越的鴻溝。19世紀,人工合成尿素沉重打擊了這一理論。2.新的理論解釋貝塔朗菲在20世紀20年代,開始有基于生物學的初步的系統論基本思想:①整體觀點,一切有機體都是一個整體,要研究他們的組成部分

10、和要素之間的聯系。②動態觀點,一切生命現象本身處于積極的活動狀態,生命體能保持自身動態穩定的、開放的系統,可以實現“異因同果”。③等級觀點,各種有機體都是按嚴格的等級組織起來,傳統方法只各部分、各過程進行研究,而沒有包括協調各部分各過程,因而不能完整描述活的現象。3.技術革命的促進:信息和控制美國貝爾公司的‘仙農’1948年發表的“通訊的數學理論”標志信息論誕生。維納1943年提出控制論的基本思想,在與工程師和神經生理學家一起通過研究自

11、動火炮時,發現了目的性行為可以用反饋來解釋,突破生命和非生命的界限,將目的性行為賦予了機器。錢學森1954年《工程控制論》是奠基著作,研究單輸入和單輸出,以控制和調節為目的;20世紀60年代后,向多輸入多輸出的多變量系統發展,20世紀70年代后,向大系統和復雜系統發展,稱為智能控制。4.科學前沿的對系統科學思想的影響①耗散結構理論——20世紀60年代普里戈金(比利時化學家1917~2003年出生)和他的團隊奮斗了20年,在研究近平衡狀態

12、的熱力學、化學、電學,在1967年提出了“耗散結構”理論:內容:一個遠離平衡的開放系統(隨便力學、物理、化學、生物、社會、經濟),通過不斷地與外界交換能量和物質,在外界條件變化到一定界限時,就可能從原先的無序狀態轉變為在時空上或功能上的有序狀態。(給陽光地球就鮮活、蘇聯解體)系統要能夠自發組織起來,形成耗散結構,必須滿足:a.系統是開放的(開放才能使系統遠離平衡態);b.系統遠離平衡態(處于平衡態和近平衡態的系統都不會向有序發展);c.

13、系統內的自催化非線性相互作用,正反饋平衡系統觀點往往被看作是破壞性因素,在演化系統演化的建設性因素;d.漲落作用,是驅使系統由原來的穩定分支演化到耗散結構分支的原初推動力?!拦凡荒苌蠅?’耗散結構理論表述了演化的前提條件:a.非平衡不可逆是組織之源;b.通過漲落達到有序。②突變理論——20世紀60年代托姆(法國數學家,1923年出生)在拓撲學和分析學做結構穩定性研究,和生物學家們進行合作。1972年突變論問世,說明參數的連續改變怎樣引

14、起不連續現象。最先提出七種初等突變,發展為更一般的系統的非初等突變。揭示了原因連續作用,可能導致結果的突然變化,使系統的無序與有序的轉化的方式和途徑的多樣性得以理解?!瓣P羽一刀辟了曹操”歷史會怎樣?荊柯宰了秦始皇又如何?充滿突變的世界才是魅力的。表述了系統相變的方式、途徑和多樣性。③協同學——20世紀70年代哈肯(德國理論物理學家,1927~)的協同學認為,系統性質改變是由于系統中要素(子系統)之間的相互作用引起的。任何系統的子系統都有

15、兩種運動趨勢,一種是自發地傾向無歸無序的運動;另外一種是子系統之間的關聯引起的協調、合作運動;系統從無序到有序還是從有序到無序,取決其中那一種運動的趨勢占主導地位。用‘序參量’(慢參量)來描述一個系統的宏觀有序的程度,以深化對系統演化的內部機制的認識。表述了系統自組織演化的內部機制和動力?!安灰粵_鋒”④超循環理論——20世紀70年代艾根(西德生物物理學家,1927)和舒斯特爾(理論化學家)合作于1979年出版了《超循環,一個自然的自組

16、織原理》為超循環理論的經典?;瘜W進化和生物學進化之間還有生物大分子進化階段,隨機無序的大分子采用循環形式自組織,發展成有序的組織并向更高的組織和復雜性進化,最終導致生命的起源。催化循環→自催化循環→超循環→發展為更高級的超循環,在一定條件下(如死亡)高層次的循環可以退化為低級的循環。能夠自我復制、能將優勢突變整合到復制循環中將優先發展?!邦惿南到y優先發展”(進化雖然從簡單到復雜出現青蛙鐵锨卻不能)。⑤混沌理論——20世紀70年代美國

17、氣象學家、麻省理工學院的洛侖茲20世紀70年代,研究中長期氣象預報,發現不可能準確完成具體時間的預報,但提出有意義的“非平衡混沌”理論(平衡態熱力學混沌是無序無歸混亂的原始狀態)。非平衡非線性系統的演化歸宿是非平衡混沌(不可詳細地預知),從整體上演化是有規律的,而從微觀上看系統又不穩定。反映確定的非線性系統具有內在的隨機性。在確定的方程中,表現為對初值具有高度敏感性。反應系統自組織的復雜性和發展過程:確定性和隨機性的統一。如果回到氣象上

18、理解:這就是說可以研究氣象的長期規律,無法準確預報長時間后某一天。非常形象地比喻說:巴西亞馬孫河叢林里一只蝴蝶扇動了幾下翅膀,三個月后在美國的得克薩斯州引起了一場龍卷風。人們把洛侖茲的比喻戲稱為“蝴蝶效應”(還記得不穩定層結的氣團上升嗎)。人工改變氣候當然是可能的;但是當你這樣做時,你就無法預測它會產生什么后果。蝴蝶渺小,也可能影響整個世界。⑥分形學——20世紀70年代曼德布羅特(美籍法國數學家)1973年正式提出的。無特征尺度系統,卻

19、有自相似結構。例如:“海岸線有多長?(用厘米為單位和公里為單位結論差很多,無法確定真實長度)”。自然界許多復雜的物理現象都具有分形結構(海岸、山脈、閃電、雪花、植物構造、肺部結構等),在理想狀態下甚至是具有無窮多次的自相似性(指體系經過尺度變換后,其某一特性(標度)不變)。分形學揭示了系統部分和整體的相似性,并試圖找到介于有序—無序、宏觀—微觀、整體——部分之間的新秩序。你的每一個細胞和你都相似?;谏鲜龅臍v史、近代、現代的種種學科、理

20、論研究,系統的科學思想成為一個瓜熟蒂落的果實。知識蛋多了混在一起,我們只能吃蛋不找是那只雞下的了??淳C合后的系統論,對系統的存在與發展的描述。三、系統論的基本原理(系統什么樣)1.系統的整體性各個子系統(要素)一旦組成系統整體,由于他們之間的復雜相互作用,而表現出整體的性質和功能(獨立要素所不具有‘雙劍合壁、威力大增’)。整體不等于部分之總和(可能大于,也可能小于);實質就是系統內要素間的協調作用使要素不可能被不影響系統性質的情況下被分

21、離出來。系統沒有整體性就崩潰了。系統論常用“中觀”研究方法,將系統劃分為宏觀上足夠小、微觀上足夠大的單元,從而溝通宏觀和微觀、整體和要素而預測演化的宏觀模式。2.系統的層次性組成系統的諸要素間的種種差異以及結合方式的不同,從而使要素在地位與作用、結構與功能表現出等級秩序性。層次反映系統內差異等級;如系統中的要素喪失了獨立性,系統也變成死寂系統。不同層次具有不同的功能,低層系統要素之間有較大的結合強度,表現為具有更大的確定性(劉胡蘭從容就

22、義張國濤投降)。系統發展:非層次發展,極不穩定,稍有擾動就會破壞,所以非層次的發展不可能有大的發展。3.系統的開放性系統的開放(與環境進行物質、能量、信息交換)是系統得以演化、發展的前提,也是系統得以穩定存在的條件。熱力學第二定律指出一個徹底封閉的系統,必定成為一個死寂的系統。系統的開放使系統和環境相互作用、共同發展、共同進化。系統開放程度:系統全然開放就與環境融為一體而不復存在。系統的開放主要是靠系統自身的自我調節機制的有條件、有選擇

23、、有過濾地向環境開放,使系統既保持一定的自主性,也使系統具有應付環境變化的靈活性。4.系統的目的性系統與環境的相互作用中,在一定范圍內,其發展變化不(或少)受條件變化或者途徑變化的影響,表現出趨向預先確定的狀態的特性。一切有目的行為都是負反饋行為。系統的三種目的性:異因同果型、反饋穩定型以及適應行為型。目的性并非是超自然的力量,而是系統內部復雜的反饋機制在發揮作用的結果。利用系統目的性:當系統處于所需要的穩定狀態,力圖保持系統的狀態,系

24、統不是處于所需要的狀態時,就引導現在的系統向預期的狀態演化。(河口河道變遷的研究)系統目的性的表現形式:①系統穩定地存在,到達了相應的‘穩定態’以后,還要借助自己的穩定機制而盡量保持處于這樣的穩定態;②系統的發展采取會聚式的循環層次增加,向更高的復雜性增長,而且也只有采取這樣循環增長的形式,可能有穩定的發展;③系統對規律的遵守。④系統確定性,在一定范圍內的異因同果、反饋穩定;或者出現自適應行為完成了系統新的發展階段;出現新一輪的異因同果

25、(吃無故雜糧長大也一樣,喝牛奶也沒長成牛)。5.系統的突變性“突變”是在外部條件(控制參量)連續變化時系統的輸出狀態發生的不連續的改變。例如:多個穩定狀態、不可達到或不穩定點組成的區域、突跳(控制參量微小變化引起狀態變量的極大變化)、滯后(在控制空間中控制參量沿同一條路線的不同方向變化時,發生突跳的點可能不一樣,本來應該在分叉點A發生但是實際上繼續運動到分叉點B處發生,滯后現象反映了突變過程具有不可逆性,具有方向性和歷史性)。突變:中介

26、態不穩定的相變;漸變:中介態穩定的相變。漸變和突變都可以導致系統質變。突變相關的是分叉和選擇理論。突變理論強調臨界點的變化的不連續,分叉理論強調的是臨界點的多重性和選擇性。分叉就意味著獲取新系統的不確定性,這種不確定性是由于系統內部的不確定性和環境因素的不確定性造成的。分叉的選擇往往具有傾向性,而且可供選擇的方式也有一定的限度,‘大數定律’的多數原則也在一定程度上發揮著作用,已經發生的變化對系統的選擇也有一定的影響,但是這種影響不是宿命

27、的?!瓣P羽為什么不劈曹操”突變分叉可能使系統繼續發展,也可能使系統崩潰。6.系統的穩定性原理開放系統的自我穩定,表現在能夠在一定范圍內(通過負反饋)自我調節,保持和恢復原來的有序狀態、保持和恢復原有的結構和功能。穩定概念:傳統的穩定性指平衡態;機械論的穩定:靜止和平衡是犧牲自我運動與自我發展的穩定;系統論穩定性是開放中的穩定、動態穩定。穩定性、整體性與目的性是相互聯系的。負反饋基礎上的自我調節、自我控制、自我穩定是系統具有整體性、目的性

28、和穩定性的根源。7.系統的自組織(動詞用法)原理開放的系統在系統內外復雜非線性相互作用下,內部要素的某些偏離系統穩定狀態的漲落可能得以放大,從而在系統中產生更大范圍的、更強烈的長程相關,自發組織起來,使系統從無序到有序,從低級到高級發展。自組織:系統的運動是自發地、不受特定外來干預地進行。只有開放的系統才有自組織,系統的自組織也包括系統的自發運動、進化和優化。他組織:受外部力量控制而實現有序的,例如‘創世說’就是一種極端的他組織,認為世

29、間萬事萬物都是上帝(救世主)組織起來的。哥白尼把太陽作為宇宙中心,但是保留了完滿的圓形天層和宇宙邊緣的原動天;伽利略避免涉及運動的原因,奠定了物理學的基礎;但是對于原因終究無法完全回避,導致牛頓不得不把上帝請來做第一推動(那時不知道自組織)。系統的自組織是系統進化的過程。系統自組織進化,體現系統符合目發展。天然系統的自組織演化(優化)是系統與環境相互作用中,通過自然選擇實現。人工系統的優化則是人們對于系統優化演化機制認識的基礎上對于系統

30、組織和結構設計,包括進行動態的設計,使得被人工組織起來的系統也具有一定的自組織的功能。8.系統的相似性原理系統的相似性:系統之間都具有一定的相似性;系統與其自身的要素具有某種程度自相似(混沌與分形理論);系統的相似性不僅僅指系統存在方式(結構的、幾何的)的相似性,也指演化方式的相似性;這是一種有差異的共性。系統的相似度來標識相似程度的大小。一般而言,同一類系統之間,系統相似程度大一些;不是同類的系統相似程度小一些。由于相似性,才出現了功

31、能模擬。四、系統論的基本規律(怎么樣研究控制系統)1.結構功能相關律結構:要素之間的相對穩定的聯系方式、組織秩序及時空關系等。功能是系統與外部環境聯系和作用中多表現出來的性質、能力和功效。結構是功能的基礎:同種結構可以具有不同的功能(虎落平川被犬欺),不同結構可具有同樣功能(電子表和機械表)。功能模擬:不問其中的結構如何,而通過一組或多組輸入輸出來比較來追求模型和原型具有相同的功能。然而通過弄清結構,改變發展系統的功能是人類追求的境界。

32、2.信息反饋律信息是我們對外界的進行調節,并使我們的調節為外界所了解時,而與外界進行交換來的東西。反饋:涉及物質流、能量流、信息流,本質上傳遞的是信息??刂坪屯ㄐ磐ㄟ^信息反饋連起來。正反饋:系統對環境做出的反應,使系統偏離既有的目標值、甚至導致系統的解體。負反饋:使得系統的運動和發展保持既有目標和方向,負反饋使系統保持穩定、合目的性。正負反饋的共同作用,影響著系統的發展和穩定;創造性和合目的性;偶然性和必然性。正反饋使原因的力量加強,負

33、反饋使減弱原因的影響。3.競爭協同律競爭是個體性或保持個體性的必然結果,競爭是一種過程的差異,此起彼伏。協同反映事物之間、系統或要素之間保持合作性、集體性的狀態和趨勢。協同使系統要素結合成一個穩定、合目的性的整體;競爭造成系統中的漲落,帶來了系統中各子系統在獲取能量、信息、物質方面的不平衡,當率先突破系統既有穩定域,并得到其他多子系統的承認和響應時,就會出現大的漲落,得到整個系統響應時,漲落放大而進入新的狀態。線性相互作用是可以分離的,

34、競爭就是競爭,合作就是合作。非線性相互作用是不可分離的,也正是非線性作用導致競爭與協同,系統才有整體行為。協同學:系統演化過程中有眾多的狀態變量,在平穩發展階段這些變量所起的作用大致相同,差別不大,但是在接近狀態變化的臨界點時,大部分“快變量”由于本身變化極快,還未來得及影響或支配系統的行為就已經消滅或轉變了;而極少數的慢變量變化相對緩慢,有機會支配或影響系統的行為。因此,慢變量支配和主宰著系統演化、代表系統的“序”或狀態,因而被稱為序

35、參量。慢變量代表的序參量是由子系統的競爭和協同產生出來的,反過來又支配眾多的子系統。從而促進整個系統自發地組織起來。4.漲落有序律系統的發展演化通過漲落達到有序,通過個別差異得到集體響應放大,通過偶然表現出來必然,從而實現從無序到有序、從低級向高級的發展,這就是漲落有序律。自組織的機制就是漲落有序。漲落也被稱為起伏(噪聲、干擾)。漲落是普遍存在的。真空這樣的場的能量的基態,也存在量子的起伏。熱力學第三定律說,絕對零度不可能達到,就意味著

36、系統不可能處于絕對平衡狀態。按形成漲落的原因分:內漲落(內部因素引起)和外漲落(外部因素引起)。(多難興邦)按對系統的影響分:微漲落(不能改變系統的整體性)和巨漲落(作用足以破壞系統結構穩定性)。按漲落作用分:正漲落(推動系統結構整體穩定演化)和反漲落(破壞系統結構整體穩定演化)。由于隨機漲落這樣的因素存在,使的子系統在獲取物質、能量和信息時的不平衡,使得一些子系統“漲起”,在瞬間具有了更大的不穩定性;另外一些子系統獲得了“落伏”,在瞬

37、間具有了更大的穩定性。在一定條件下,在臨界區域附近,漲落加上非線性相互作用形成的關聯放大效應,又進一步加劇了這一過程,形成了眾多的序參量,并由這些序參量主宰系統的演化和發展模式。系統‘序’的規定性很多。如結構序和功能序、時間序、空間序、時空序、宏觀序和微觀序??梢院暧^有序微觀也有序,如耗散結構;可以宏觀無序微觀有序,如非平衡混沌系統(宏觀表面上是無序的,而內部非常復雜的秩序)。通過漲落達到有序:熱力學平衡態附近只能產生小的漲落,系統整體

38、上只能是不可逆轉地趨于平衡,漲落最后總是被衰減掉,他們只不過構成對平均值的一種小的干擾和修正作用,這種作用可以按大數定理進行估計。當系統處于遠離平衡態時,漲落不一定被衰減而可以得到放大,漲落不再是可以被忽略的修正項。而且一旦在臨界點形成了巨漲落,系統會從熱力學躍進到耗散結構的分支,實現通過漲落有序。漲落是否被放大,前提系統是遠離平衡態、系統中存在適當的非線性相互作用機制。在這里非線性的正反饋機制如同化學反應中的自催化作用,對導致漲落放大

39、有著決定性的作用。非線性系統發生相變時,存在系統演化的分叉。分叉點系統的發展表現出強烈的不確定性,一般系統的穩定性只能在穩定分支和不穩定分支之間進行抉擇,對于在兩個或多個耗散結構分支之間的進行抉擇,要由漲落(包括系統內的漲落和環境漲落的共同作用)來實現。必然的發展,離不開偶然的因素。系統學稱漲落為“演化的隨機力”。在分叉點上決定論失敗了,隨機選擇的非決定論發揮了作用。因此,耗散結構理論認為,在遠離平衡系統的演化過程中,決定論和非決定論都

40、有表現的,在分叉點之前,決定論起作用;在分叉點上,非決定論起支配作用。在新的穩定分支被選擇之后決定論起作用。但是分叉的選擇往往是具有傾向性的,可供選擇的方式也是有一定限度的,大數定律的多數決定原則也在一定程度上發揮作用,因而已經發生的量變對于質變的途徑和方式,并非沒有影響,只是這種影響不是宿命的。我們的世界本質上是不可逆的,時間之箭,永不回頭,自然的演化指向未來。立足于平衡熱力學,吉布斯認為宇宙中,秩序存在的可能性最小、混沌存在的可能性

41、最大,但是當整個宇宙(如果真的有整體宇宙的話)趨于衰退時,其中就有一些局部區域,其發展方向和宇宙的發展方向看來和整個宇宙的發展方向相反,同時他們內部的組織程度有著暫時的和有限的增加趨勢。生命就在這些局部的區域里的幾個地方找到了他們寄居地,并向上發展起來。5.優先演化律系統的優化在演化之中得到實現。優化例子:黃金分割是長方形長、寬最佳比,廣泛地用它以及它的倒數;等周長時圓包含的面積最大,植物圓柱根莖最能輸送養分;在守恒系統中,動力學體系在

42、一定時間內,從一點到另外一點,總是選擇使拉格朗日函數的時間積分為極值的路徑。光線在任何介質中,總是沿花費時間最少的路徑傳播。歐拉名言:世界上一切事物無不呈現出極大或極小特征,萬物具有優劣性。系統的優化是系統演化的目的,一個系統優化最重要的整體優化。耗散結構理論:系統優化的一些基本前提;協同學:系統優化的內部機制;超循環理論:協同整合的超循環組織的形成本身就是系統優化的一種形式,并且可以使得系統可以進一步得以優化。系統的形態越高、發展越快

43、,是系統進化的基本法則。形態高系統的通訊能力、自穩能力、適應能力等都必然得到了相應的發展和優化,這樣一系列的優化,使得系統具有較大的靈活性。復雜系統的穩定性取決于系統的通訊能力,系統內部的通訊越快,不成功的漲落所占的百分比越大,因而系統越穩定。五、系統的宇宙觀(理論都要解釋宇宙來檢驗)任何科學和哲學必須回答的問題:我們從那里來?我們到那里去?就是宇宙觀。宇宙是演化的宇宙。關于宇宙的起源和未來,有眾多的學說,都不能很好地解釋所有的現象,我

44、們這里以支持率較高并且和系統科學思想符合較好的“大爆炸”和“宇宙暴脹”理論為主來闡述。下面介紹宇宙學發展的過程:20世紀初,愛因斯坦(1879—1955)建立起相對論,按廣義相對論,不能得出靜態宇宙模型,但是愛因斯坦當時也相信靜態宇宙,在方程加上一個‘宇宙學項’得出靜態解。愛因斯坦后來說:是個可笑的錯誤。1922至1924年蘇聯數學家弗里德曼(1888—1925),重新解愛因斯坦宇宙方程,證明,必須自發膨脹或收縮。1927年比利時天文學

45、家勒梅里(G.Lemaitre)提出了大尺度宇宙空間隨時間而膨脹。1929美國天文學家哈勃(1889—1953),在前人工作的基礎上,得出星系都在離我們遠去,星系離我們越遠,遠離我們的速度越大(河外星系紅移同我們的距離成正比),接觸到了演化宇宙系統的真面貌。1932年勒梅里進一步提出了演化宇宙模型,認為宇宙的全部物質最初聚集于一個“原初原子”之中,其密度很大、溫度極高、很不穩定,在發生爆炸以后物質四面八方散開,導致了宇宙的膨脹。1948

46、年伽莫夫(19041968)進一步發展起來大爆炸宇宙論。宇宙曾經是到達過一個最大壓縮狀態,全部物質的密度就如同原子核之中的基本離子的密度一樣大;這樣的宇宙通過大爆炸開始膨脹,逐漸演化成我們今天觀察到的宇宙。預言:大爆炸有殘余輻射遺留下來,大約只有絕對溫度幾度。1964彭齊亞斯和威爾遜意外地發現了2.7K(絕對溫度)的宇宙微波的輻射背景,使大爆炸理論在眾多的宇宙假說中取得了主導地位。此外大爆炸理論還解釋了“河外星系的譜線紅移的多普勒效應(

47、哈勃)”、“氦元素的豐度經過計算的氫氦比例為76:24與觀測基本一致。大爆炸理論遇到的主要困難是:①均勻性問題:觀測事實推論觀測的宇宙空間分布上是均勻的,而大爆炸理論計算的結果是只有在幾度的范圍內均勻;②平坦性、平直性問題,大爆炸理論宇宙論宇宙模型是非平直的,而觀測表明宇宙非常接近平直的;③磁單極子,大爆炸理論上表明磁單極子肯定存在,所有的實驗結果表明磁單極子實際上不存在或幾乎不存在。為了解決上述問題?20世紀80年代宇宙暴脹理論誕生,

48、有較大影響的是古斯提出的老的暴脹宇宙論,和稍后林德提出新的暴脹理論,林德在1983年又提出的第三個混沌暴脹理論。大統一理論是‘暴脹’理論的基礎。于是大爆炸和‘暴脹理論’結合給我們一幅比較合理的宇宙起源。①宇宙創生期。相應宇宙年齡為1044秒,是實時空形成階段。在物質與反物質上的天平上開始傾向與前者。描述這一階段的假說主要是霍金的量子引力理論。創生之前對稱性極高,不能區分四種基本作用(電磁力、引力、強相互作用、弱相互作用)。發生對應于超統

49、一理論的超引力真空相變,這次對稱破缺,使量子引力開始起作用,(實)時空(從虛時空)產生出來。②宇宙極早期。相應的宇宙年齡為1035秒,這一過程發生大統一相變,使宇宙按指數規律暴脹,暴脹結束后,強力開始起作用;相變中放出能量轉變為輻射和粒子,這是宇宙中實物的起源,主要是強子和幾種輕子,被成為強子時代。③宇宙早期。相應的宇宙年齡為102秒,各種輕元素形成時期,也成為核成時期。輕子時代:相應的時間1010秒,發生弱電統一理論的真空相變,于是弱

50、力和電磁力出現破缺,四種作用力都出現了。輕子時代的輕子分解和正反粒子的湮滅,產生了大量光子和中微子,于是宇宙進入以輻射為主的輻射時代,相對實物粒子而言,光輻射占絕對優勢的時代。輻射時代:也是核合成時代,進入輻射時代不久,開始核素的形成,逐漸形成了幾種輕元素,其中氘和氦最先出現。氦穩定、保持至今。④宇宙近期。當宇宙年齡為10萬年時,宇宙溫度已經下降到4000K左右,宇宙變成透明。在這以后,宇宙就從均勻的狀態演化為具有各種結構的狀態,終于迎

51、來了實物密度占優勢得新時期。開始物質幾乎全部是電離的,當溫度下降到一個臨界點以后,電離物質開始復合,成為中性物質。最先復合的氦、最后復合的是氫。復合開始后,實物和輻射的相互作用變弱,復合基本完成以后,輻射和實物退開耦合開始獨立的演化。各種尺度的形體及其體系如星系、星系團、恒星就是在這一時期逐漸形成的。經過大約200億年到現在,宇宙的溫度下降到3K(絕對溫度)。暴脹期的長短是關鍵。若稍短,物質為充分散開,原生宇宙就有重新坍縮為起點;若稍長

52、,原生宇宙的物質則過于分散,形不成星系和恒星,自然也就不會出現生命和人類。因此出現了暴脹為何如此精確的問題,按照現行的物理學基本定律,大爆炸產生的宇宙其“自然尺寸”應該只有亞原子大小,即普克郎長度1035量級,而這樣的宇宙是短命的。前蘇聯科學家林德提出“自我增殖的宇宙”概念——“最有可能的是,我們正在研究的宇宙是由早期的若干宇宙所形成的。1987年霍金進一步提出了“嬰兒宇宙”模型,兩個大宇宙通過一個細“管子”連接起來,這個細管子稱為“蟲

53、洞”,大宇宙為母宇宙。就是說除了我們生存的宇宙之外還可能存在著眾多的由蟲洞連接起來的其他宇宙。1992年,薩莫林在前人基礎上提出了宇宙自然選擇學說。母宇宙是空間閉合的,猶如一個黑洞,該黑洞在生存了一段時間后坍縮為一個奇點,奇點又會反彈爆炸膨脹為新的下一代宇宙。從而較具有某些基本常數值的宇宙被“自然選擇”下來的,“選擇”作用產生了越來越多的黑洞,形成了更多的宇宙。應該預期我們生存在其中的宇宙會具有所觀測到的樣子并正好具有目前測知的基本常數

54、值。2001年6月30日威爾金森研制并組織MAP衛星發射升空。衛星被送到距離地球100多萬公里的拉格朗日點上,在這里太陽、地球、衛星始終在一條線上。衛星背向太陽和地球,緩緩掃描著天空,收集來自宇宙深處的數據。2002年9月,威爾金森因病去世。未能親眼看到衛星數據的發表。美國航空航天局將衛星改名為WMAP,以紀念的貢獻。2003年WMAP第一年觀測的數據發表了,觀測結果的精度大大提高,與氣球的實驗結果也非常一致。我們終于知道宇宙空間是平直

55、的,暴脹理論得到了初步的證實。同時宇宙的年齡和大尺度結構問題,在這個理論框架內也得到了完滿的解決。人類終于知道,宇宙大約140億年前由一次大爆炸所產生。宇宙中30%是物質,70%是我們還不知道究竟是什么的暗物質所構成。而在宇宙中由閃爍星星所組成的明亮星系,它們的分布并不均勻。此外我們還知道宇宙的空間是平直的,并且它正在加速膨脹。從牛頓的時候起,人類就認為宇宙是無限和永恒的,在空間上沒有范圍,時間上也沒有開始和結束。但是大爆炸的理論卻告訴

56、我們,宇宙不僅有一個開始,而且由于處在加速膨脹之中,因而它在空間上是有限的。形形色色的宇宙學說,都有各自的困難,但是都把宇宙作為演化的宇宙來研究。目前認為四種基本相互作用是,引力、電磁力、強力(原子核)、弱力和強力(基本粒子)。各種學說都有自己的困難,但是都承認我們的宇宙是演化的宇宙,是一個從混沌到有序、從混沌宇宙逐漸分化的過程,宇宙的結構和秩序就這樣的產生了?!叭藫裨怼薄按髷导僬f”20世紀30年代,物理學家狄拉克發現氫原子中靜電力與

57、萬有引力之比得到一個無量綱的大數a1=2.31039;用原子單位來度量的光線穿過觀測宇宙所用的時間與穿過一個原子的所用的時間之比,也是一個無量綱大數a2=71039;以原子質量為單位,來表示我們觀測宇宙的總質量,也是一個無量綱的大數a3=1.2(1039)2于是,狄拉克提出,一切出現于宇宙學和物理學基本定律中的無量綱大數,都可以表示為“(1039)的a次方”。即與宇宙年齡相關的a次方來表示,a1、a2中大數,并非永遠相同,只是宇宙發展的

58、結果。于是狄克認為:“大數假說”反映的正是人類在這個可見的宇宙中的存在。英國學者卡特稱這種觀點為弱人擇原理,宇宙常數實際上是演化的,如果這些常數有些不同,我們人類就不會在這里;進一步提出強人擇原理:引力、溫度、化學環境等方面的某些條件,是人類存在的先決條件,至少在這范圍內觀察者的位置是特殊的,而我們能預期觀察的內容受到觀察者存在條件的限制,因此我們不是宇宙的中心,但是我們得到了某種程度的優惠。引用霍金在《時間簡史》中的說法:弱人擇原理:

59、在宇宙中發展起來的理智生命只是在某些時間和某些空域得到滿足,如果這些空域里的理智的人在所在地觀測到他們所處之處滿足了他們存在所需要的條件,他們不會感到驚奇。強人擇原理:為什么宇宙是我們看到的宇宙,答案是這樣:如果不是這樣,我們就不會在這里。宇宙和我們,也就是中國傳統中的天、人本就是合一的。如果我們把整體的宇宙,作為一個系統,對于實證主義科學家而言,問宇宙外面是什么是沒有意義的(不可思議),只能理解為這是一個封閉的系統,那么宇宙終將走向無

60、序與死亡;而我們的觀測宇宙是在整體宇宙衰亡的背景下和前提下,得以蓬勃的發展。但是最終也逃不過無序的命運,宇宙用膨脹抵抗著引力,膨脹(有認為最后的一切將揮發為基本粒子的)終究有個盡頭終究會引引力而回縮而塌陷,時間和空間會終結,面臨一次新的爆炸。人們怎樣面對這悲慘的結局?愛因斯坦給學生的回答是:140億年你等等看。我還給大家準備了另外一個回答,在宇宙收縮到行將重新爆炸的一瞬,進入混沌狀態而具有無限的初值敏感性,如果我們生存到那個時間,物質的

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