6.演化规律

有序性与熵
系统的熵增加，意味着系统变得无序，它的
组织程度降低；而系统的熵减小，意味着系统变
得更有序，它的组织程度提高。所以，熵是系统 有序或无序程度的度量。
第四章 自然系统演化的规律性
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第四章 自然系统演化的规律性
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几率与熵
根据几率理论，对于由大量质点所构成的系 统来说，一事物的混乱程度越高，则其几率越 大。混乱程度是可以用几率的大小来表示的。 所以，系统的熵增加，也意味着系统由几率小 的状态向几率大的状态的变化。 熵的概念本出于热力学，与几率理论相结合 便超越了热力学，进而被推广到更加广泛的领 域。
第四章 自然系统演化的规律性
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相对论和量子力学虽然带来了一场深刻
的革命，但是在时间可逆这一点上，却没
有改变经典力学的基本观点。因为在相对
论方程和量子力学方程中同样是时间反演
不变的。也就是说，上述科学描述了一幅
可逆的自然图景。
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实际上，自然界根本没有绝对的、无条件的 可逆变化，可逆只是一种理想化的产物，是在 略去某些变化不计的情况下的一种科学抽象。 例如，只有忽略掉磨擦，才有理想的单
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第二节 自然系统进化的条件
进化与退化的量度：有序与无序 进化是指在没有外界的特定干预下，系统有序度 提高的过程。反之，退化是指在没有外界特定干 预下，系统有序度降低的过程。
第四章 自然系统演化的规律性
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有序和无序是自然科学中常用的概念。 一般而言，序指的是系统内各要素之间 相互联系的确定程度。 有序，是指系统内各要素之间有规则的 联系或运动。 无序，是指系统内各要素之间混乱而无 规则排列、组合或运动。
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3、不可逆性与时间之矢 对于不可逆过程来说，时间已不再是描述系
统运动的外在参量，而是和系统的演化相联系的，
从而是有物理内容的时间。
也就是说，在不可逆过程中，时间的反演是
不对称性，过去不同于未来，因而时间具有方向
性。自然界的变化留下了永久的、不可磨灭的历
史痕迹。
第四章 自然系统演化的规律性 11
第四章 自然系统演化的规律性 22
不可逆性的建设作用，表现为它能促 使物质系统由无序变为有序，由低序变 为高序。
目前所知的自然界的演化图景，从宇宙的演化到生 物的演化，都明确地显示，不可逆性是有序之源、组 织之源。正如普里高津指出的：‚我们现在知道，正 是通过与时间之矢相联系的不可逆过程，自然才达到 其优美和复杂之至的结构，生命只有在非平衡的宇宙 中才有可能出现。‛
若deS=-diS，则dS=0。即系统内部尽管不断产 生为熵增，但是外部物质和能量的输入，可使系 统总熵不至于增加，从而使系统保持在一种稳定 有序的状态。
进一步，如果从外部流入的为负熵，并且流
入的负熵大于系统内部由不可逆过程引起的熵增， 便能使系统的总熵减少，从而有可能使系统形成 从无序到有序、从低序到高序的转化。
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注意点：
（1）可逆与不可逆是关于变化过程的概念。 （2）可逆与不可逆过程所指的复原是包括系 统与环境的同时复原。
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2、自然界的演化过程是可逆还是不可逆的？ 在科学史上，有许多科学家都把不可逆性看作 是近似的结果，或看作主体观点向物理世界的入侵。
例如，爱因斯坦 认为，不可逆性只是一种幻觉，一种 主观印象，他说：‚在物理学的基本定律中没有任何不可逆 性，你必须接受这样的思想：主观的时间，连同它对‘现在’ 的强调，都是没有任何客观意义的。‛‚就我们这些受人们 信任的物理学家而言，过去、现在和将来之间的区别只是一 种幻觉，然而，这种区别依然持续着。‛玻恩也曾经断言： ‚不可逆性是无知介入物理学基本定律的后果。‛
越大，系统越有序。因此，信息意味着负熵或熵
的减少。
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对称性与熵
系统的对称性大，则无序；而系统的对称性小，则
有序。完全无序的混沌状态对称性最大，随着有序性的 增加，伴之以对称性的减少，从而形成各种结构和状态， 出现丰富多彩的自然现象。 因此，人们也往往用对称性的大小作为有序程度的量 度。对称性的减少也叫做对称性破缺。从这个意义上说， 系统从无序到有序的过程是一个对称性破缺的过程。
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平衡态(孤立系统): ｄＳ＝ｄiＳ≥０ 近平衡态(开放系统): ｄiＳ～ｄeＳ，ｄＳ＝ｄiＳ＋ｄeＳ→０ 远离平衡态(开放系统): ｄＳ＝ｄiＳ＋ｄeＳ＜０
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总之，能够从外界获得足够大的物质与能
量的开放系统，是系统进化的必要条件。
当然，开放还只是系统自组织的必要条件，
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三、不可逆性在演化中的作用
不可逆过程所导致的物质系统的有序性或 组织程度的变化，在自然界的演化中起着重 要的作用，它是研究一切演化现象的起点。 在自然界的演化中，不可逆性既起着破坏 作用又起着有建设作用。
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不可逆性的破坏作用表现为它能导致有序 结构的破坏，促使物质系统由有序变为无序。
ΔS孤立≥0
这说明，无论是物理系统、生命系统还是社会 系统，一旦封闭起来，都只能自发地走向无序。
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而开放系统则不然，它有可能在与环 境的相互作用中实现从无序向有序的转化。 开放系统的总熵变可以分为两项：
dS＝diS＋deS
这个关系式首先由普利高津提出，所以也称为普
利高津方程。
第四章 自然系统演化的规律性
第四章 自然系统演化的规律性
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根据现代自然科学所揭示的自然界的演 化图景，我们看到，这一过程是自然界物 质系统不断地自我调节、自我更新、自我 组织的过程，是一个自发地从简单到复杂、 从无序到有序的演化过程。
第四章 自然系统演化的规律性
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第一节 自然系统演化的不可逆性
自然界的演化是自发进行的，而一切自发 过程都是不可逆的。本节主要探讨不可逆性 的概念，及它在自然界演化过程中起着什么 作用。
第四章 自然系统演化的规律性
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一、不可逆过程的普遍性
1、什么是可逆？什么是不可逆？
所谓 可逆 ，指的是一个物质系统在发生 了某种状态变化之后，如果这个系统能与环 境同时恢复到原来状态，则这个变化过程就 是可逆的；反之，如果这个系统不能与环境 同时恢复到原来的状态，则这个变化过程是 不可逆的。
第四章 自然系统演化的规律性
第四章 自然系统演的规律性 17
信息与熵
在现代科学中，还用信息这个概念来表示系统的 有序程度。信息本来是通讯理论中的一个基本概念， 指的是在通讯过程中信号不确定性的消除。后来把这 个概念推广到一般系统，并将信息量看作是一个系统 有序性或组织程度的量度。如果一个系统有确定的结 构，就意味着它已经包含着一定的信息。这种信息叫 做结构信息，可用来表示系统的有序性；结构信息量
摆，只有忽略其他天体对地球的影响，以及地 球本身的复杂性，才有严格周期性的地球公转； 只有忽略掉热的耗散，才有理想的卡诺循环。
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不可逆性是自然界演化过程的一个普 遍特点，正是这种不可逆性，决定了演化 的方向性，以及循环的前进性。
法国诗人哲学家奇内说：‚自然是不会回 头的；它决不重做它所破坏的东西；它不会再 看已经破坏的模型。在将来无数的新组合中， 你们不可能看到两次出现同样的人类，同样的 植物群系，同样的动物群系‛。
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diS ≥0
d eS
这里dS是系统总熵的改变，diS是系统内部不可逆过程 产生的的熵变，称为熵产生项。根据热力学第二定律，它 总是大于或等于零，即diS≥0。deS是由系统与环境交换物 质和能量过程中流入系统的熵，称为熵流项，其值可正可 负。
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第四章 自然系统演化的规律性 21
关于‚宇宙热寂说‛
在历史上，物理学家克劳修斯等人在发现 了热力学第二定律之后，却错误地从热力学第 二定律得出了‚宇宙热寂说‛，认为宇宙的熵 会趋向于极大，一切运动形式都将转化为热运 动形式，热运动又趋向于平衡，于是，宇宙中 一切运动都停止了。这种平庸演化图景的得出， 原因之一是没有看到不可逆性在演化中所起的 积极的建设作用。
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有序或无序是相对而言的： （1）世界上并没有什么绝对的有序或 绝对的无序。 （2）有序和无序在一定条件下可以互 相转化。
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系统序的主要类型： 空间序，是指系统在空间分布方面的联系。例 如，分子的空间构型，晶体按一定的顺序结为点 阵等。 时间序，是指系统在时间持续方面的联系。例 如，地球上一年四季的变化，月圆月缺，花开花 落，这些按着时间进程有规则的变化都是时间序。 时空序，事物总是在时空中存在和运动，时间、 空间是物质存在的形式。事物时间序和空间序的 统一就是时空序。如树木的年轮是有规则、按时 间和空间顺序排列的，这种秩序就是时空序。
二、不可逆过程的科学描述
1.熵的含义 科学中对不可逆性过程的研究，最初来自与热 力学第二定律相联系的熵的概念。克劳修斯引入 了熵的概念来描述这种不可逆过程。在热力学中， 熵是系统的状态函数，它的物理表达式如下：
ΔS=ΔQ/T
其中S表示熵，Q表示热量，T表示温度。即一 个系统的熵等于该系统在一定过程中所吸收（或 耗散）的热量除以它的绝对温度。
第四章 自然系统演化的规律性 6
经典力学就是以可逆变化为研究对象，其基 本特征是时间反演不变。以牛顿第二定律为例：
Ｆ＝ｍｄ2ｒ／ｄｔ2
方程对于时间的反演t→-t来说是不变的。这就是说， 只要知道现在的状态，通过解方程既能确定过去的状态， 也能确定未来的状态，过去和未来没有区别的。因此， 在经典力学中谈不上进化和历史。时间只是一个描述运 动的几何参量，是独立于物质运动之外的一种流程。