自然辩证法概论 第2讲 自然界的演化发展

自然辩证法-第二章
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生命的起源
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第二节 自然界演化的若干规律
▪ 一、自然界演化的周期性和不可逆性 ▪ 1、周期性 ▪ 2、 不可逆性 ▪ 可逆反应：过程可以反转、状态可以回归、系统与环
境可以复原的变化。 ▪ 单摆运动 卡变性。
▪ 后人引入玻尔兹曼常数k，
▪ 写成等式 S = klnΩ
▪ 宏观自发的过程倾向于从概率小的宏观态 向概率大的宏观态过渡。宏观概率小，熵
低，意味着整齐、有序，宏观概率大，熵
高，意味着混乱、无序。
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▪ 按照 玻耳兹曼 的微观统计解释：
▪熵的微观本质是系统
内部粒子的混乱、无
▪ 在上述方程中，将t变F换为-tm，其dd方2tr2程不改变形式。
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▪ 不可逆反应：变化过程不可反转，状态不能 回归，系统和环境不能同时复原的变化。
▪ 时间反演不对称
▪ 以热传导的付立叶方程为例：dT 2T
dt
▪ 时间反演（t→-t），方程变化为：
dT 2T
完全均匀分布，系统的熵最大，对应于
系统的平衡态。
熵增加原理
Clausius不等式 S TQ 0
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S 孤立 S 体系 S 环境 0 不可逆（自发）
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可逆 （平衡） 14
熵的物理意义
温 度 分子平动能 热力学能 系统内部所有微观粒子的能量总和 压 力 表层粒子的运动
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"蝴蝶效应"的现代科学理论都告诫我们： 要特别注意初始条件、初始状态、基本理论 出发点上的微小差别，要对这方面的微小差 别保持高度的"敏感性"。
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混沌理论
在自然界和社会系统中，事物的运动状 态分三类。
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蝴蝶效应的含义
初始条件的十分微小的变化经过不 断放大，对其未来状态会造成极其巨大 的差别。这就如古人所说的：“失之毫 厘，谬之千里”，“一着不慎，满盘借 输”。
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For example:
断了一枚钉子，掉了一只蹄铁；掉了一 只蹄铁，挂了一匹战马；挂了一匹战马，摔 死了一位将军；摔死了一位将军，吃了一场 败仗；吃了一场败仗，亡了一个国家……
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第一类是确定性现象，也就是有序的现象， 人们可以根据事物的规律，准确预言它们的 发展变化和未来状况。
第二类是随机性现象，在这种现象里，事物 没有必然的运行规律，只能用几率来表示系 统的未来状况。
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第三类是混沌现象，发生混沌现象的系 统其运动规律虽然可以用描述清楚，但事物 的发展后果并不可以预测。
熵判据的应用举例：
① 理想气体向真空膨胀
② 热Q由高温物体低温物体的传递
2020/6/28 ③ 石头下落
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增加 Sg>Sl>Ss 大，增加 增加（构型S） 增加 增加
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▪ 1877 年玻尔兹曼提出了把 熵 S 和热力学 概率Ω(即微观量子态的数目）联系起来,
▪ 得出S ∝ logΩ
熵 ？
熵函数是系统内部大量粒子热运动无序化程度的反映
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凡是能使无序度增加的因素都会对系统的熵值有贡献：
（1）同一物质T增加，S ? （2）Sg ? Sl ? Ss （3）对称性小，S ? ，不对称性增加，S ? ;
分子越大，S ? （4）混合, S ? （5）分解反应, S ?
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▪ 序： （熵dS=dQ/T、序参量、信息量） ▪ 序：差异程度，对称性破缺
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熵的定义
d SQ R T
SS B S AA BQ T R
熵的宏观意义是能量分布均匀性的一种
量度，能量分布越不均匀，熵就越小；
能量分布越均匀，熵就越大；系统能量
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混沌理论原理
描述混沌现象运动规律的方程是非线性 的。有些事物的发展变化虽然存在规律性， 但未来某一时刻的突发事件，使初值发生微 小的变动后，会引起事物在较长的时间内作 出很大的改变。
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dt
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二、自然界演化的方向性
▪ 演化：不可逆变化，具有方向性，与时间箭 头相联系，未来与过去是不同的，不具有时 间反演的对称性，时间对称性的破缺
▪ 1、有序、无序与混沌 ▪ 序 ：标志事物宏观可辨识性的范畴，是指
某参量按规律取值的确定程度，能按规律取 确定值的是有序，否则是无序。
序的量度。
▪ 据此 人们又提出了 负熵 的概念
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▪ 有序：事物或系统要素间有规则的排列组合 或运动变化. 差异程度变大。
▪ 无序：事物或系统要素间无规则的排列组合 或运动变化. 差异程度变小
▪ 故 有序 对应的是 非对称
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星系与恒星的演化
▪ 引力收缩阶段 ▪ 主序星阶段 ▪ 红巨星阶段 ▪ 高密恒星阶段
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太阳系与地球的演化
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地球的演化
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▪ 无序对应的则是 对称
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▪ 有序无序是个相对概念，是末状态相对于 初状态的差异变化程度
▪ 混沌：是系统演化的一种方向。
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蝴蝶效应
上个世纪的70年代，美国一个名叫洛 伦兹的气象学家提出了著名的蝴蝶效应理 论。那就是南美洲亚马逊河流域热带雨林 中一只蝴蝶偶尔扇动几下翅膀，所引起的 微弱气流对地球大气的影响可能随时间增 长而不是减弱，甚至可能在两周后在美国 得克萨斯州引起一场龙卷风。