第2讲 自然界的演化发展
第二章 自然界的存在方式和演化发展1
关于太阳系的起源有两个基本问题： 一是行星的物质来源， 二是行星的形成方式 。
• 关于行星物质来源的假说不下数十种之 多，择其要者不外四大类。 • 一是分出说（包括各种灾变说、爆发说 和抛出说）。
• 二是俘获说。
代表人物：施密特（前苏联）
• 三是大爆炸宇宙说。 这是西方比较流行的 一种假说，主要观点 来自伽莫夫等。他们 认为宇宙始于一次大 爆炸，整个范围出现 一种热平衡，物质成 分由平衡条件而定。
根据
• 黑箱方法的根据是结构与功能的辩 证联系。结构深藏于内，功能表现 于外，结构是功能的基础，功能是 结构的表现，功能对结构也有反作 用，我们通过研究系统的功能就可 以推测和认识其结构。
黑箱方法有重要意义和作用 （1）它提供了研究复杂系统和不能打开或不便 打开的黑系统的研究方法。 （2）科学面对的原初系统，一般都是黑箱，如 早期的人体、人脑、细胞、原子、地球等。随 着使用黑箱方法对这些黑系统的研究，使许多 研究对象逐步转化为灰系统或白系统，人们的 认识就是一个不断地接触黑箱、研究黑箱、转 化黑箱的过程。
一、天体的起源和地球的演化
• （一）天体的起源 • 什么是天体？ 宇宙间各种星体，例如，星云、恒星、 卫星、彗星和流星等，包括地球在内统 称天体。
• 天体演化和物质结构、生命起 源属于自然科学的三大基本问 题。
太阳系的起源
什么是太阳系？太阳 系是太阳、行星、卫 星、小行星、流星体 及星际物质组成的天 体系统。
• 结构与功能的相互制约 • 一方面表现为结构决定功能 • 另一方面表现为功能对结构的反作用
• 例子：猿的劳动 直立行走 手的进化 • 尾巴的退化
4、系统处在一定的环境之中
（二）系统整体与部分的关系
1、整体与部分的相互制约关系 • 整体由部分组成，整体必须依赖部分； • 部分是整体的部分，必须受到整体的控 制和支配。
《自然辩证法》第2章 自然界的演化发展
可逆过程 - 一个无摩擦力、无耗散的准静态 一个无摩擦力 无摩擦力、
过程称为可逆过程 过程称为可逆过程
- 在可逆过程中，体系从始态变到 在可逆过程中，
终态，再从终态回到始态， 终态，再从终态回到始态，体系 和环境都能恢复原状
自然界是否存在真正意义上 的可逆过程？ 的可逆过程？
在昼夜温差较大的我国北方冬季， 在昼夜温差较大的我国北方冬季， 白天缸里的冰融化成水， 白天缸里的冰融化成水，而夜里 同样缸里的水又凝固成冰。因此， 同样缸里的水又凝固成冰。因此， 这是一个可逆过程。 这是一个可逆过程。你认为这种 说法对吗？为什么? 说法对吗？为什么?
t
t
熵：系统演化的重要参数
entropy，能量的变异) 熵（entropy，能量的变异) s = ∫
dQ T
熵的宏观意义表征系统能量分布的均 熵的宏观意义表征系统能量分布的均 匀状态 熵的微观意义表征系统内部粒子的无 熵的微观意义表征系统内部粒子的无 序程度 熵的信息学解释认为熵是系统无组织 熵的信息学解释认为熵是系统无组织 程度的量度
微小涨落使系统发生微小变化， 微小涨落使系统发生微小变化，这 一变化通过非线性的反馈机制而被 放大， 放大，从而使系统跃迁到一个新的 稳定有序状态
耗散结构理论
一个远离平衡态的非线性的 一个远离平衡态的非线性的开放系统 远离平衡态 不管是物理的、化学的、 (不管是物理的、化学的、生物的乃至 社会的、经济的系统) 社会的、经济的系统)通过不断地与外 界交换物质和能量， 界交换物质和能量，在系统内部某个参 量的变化达到一定的阈值时，通过涨落 涨落， 量的变化达到一定的阈值时，通过涨落， 系统可能发生突变即非无序状态转变为一种在时间上、 来的混沌无序状态转变为一种在时间上、 空间上或功能上的有序状态
自然界演化发展的规律性
自然界演化发展的规律性荀子曾说过，“天行有常，不为尧存，不为桀亡”。
自然界的演化发展是有规律的。
自然过程不是形而上学地发生，而是辩证地发生的。
矛盾是演化发展的根本动力；演化发展的实质是物质系统形态的不断转化，且这种转化是守恒的；演化发展又是无限循环的，体现了否定之否定的规律，呈现不断上升的周期运动。
对立统一规律是自然界运动发展的根本规律。
下面我们着重考察一下这一规律在非生命世界和生命世界的不同表现。
（1）吸引和排斥的矛盾是非生命世界演化发展的根本动力。
在非生命世界中充满着以吸引和排斥为对立两极而不断展开的矛盾斗争。
在总星系的起源与形成中，收缩与膨胀的相互作用体现了吸引和排斥的矛盾运动；在天体的形成、演化和运行中都存在着吸引和排斥的矛盾，引力使其收缩，自转又产生离心力。
行星绕太阳旋转就是吸引与排斥相互作用的结果。
分子引力与热运动斥力构成一对矛盾，决定了物体不同的凝聚状态间的相互转化；原子内，原子核和电子间的吸引与排斥，使其保持相对的稳定；化学中的化合与分解体现了化学运动中的吸引与排斥作用等等。
（2）生物和环境的相互作用是生物进化的动力。
生物与环境的矛盾斗争表现为自然选择的规律性。
生物体的同化与异化、遗传与变异的矛盾是生物进化的内在根据。
环境对生物的影响和选择是物种或生物个体存留与被淘汰的外部条件。
外因通过内因起作用。
生物体的变异是生物进化的基础，没有这种变异，自然选择也就没有意义；只有变异而无自然选择，也不会有生物的进化。
环境可以影响生物的发育，甚至和遗传信息一起在某种程度上决定着变异方向，二者可以相互转化。
但环境对生物类型的转化，需要遗传物质的变化相配合，生物才得以进化。
自然界演化发展的普遍性特征
自然界演化发展的普遍性特征
经过深入研究，我们可以发现自然界演化具有三个普遍性特征：不可逆性、自组织性和对称的破缺。
首先，自然演化的不可逆性是指演化过程无法倒转，每一状态都是独一无二的，并且会带来周围环境的变化。
这个特征在自然科学中被广泛应用，因为所有实际过程都伴随着能量的耗散，无法还原。
不可逆性为自然界的演化规定了方向，包括从有序到无序和从无序到有序。
其次，自然演化的自组织性是指物质系统在无内外指令的情况下，自发地从无序向有序发展的过程。
这种现象在自然界中广泛存在，例如星系、恒星、生物的形成和演化都是自组织过程。
自组织现象出现需要具备一些条件，例如系统必须处于远离热平衡状态、是一个开放系统、各要素之间存在着非线性的相互作用、系统内部存在正反馈机制以及随机涨落和突变是自组织实现触发机制。
最后，演化机制是对称的破缺，这意味着自然界中的演化过程不满足对称性。
例如，物质系统从无序到有序的演化过程不同于从有序到无序的演化过程。
这种对称的破缺在自然界中广泛存在，例如化学反应和生物进化等。
总的来说，这三个普遍性特征揭示了自然界演化的规律和方向，对于我们深入理解自然界的演化过程具有重要的意义。
自然辩证法 第二章_自然界的演化与发展
第二章自然界的演化与发展（2008年11月5日）自然界不仅是存在着，而且是生成着并消逝着，也就是说，“存在和演化并非都是彼此对立的，它们表达出现实的两个有关方面。
”①现代自然科学的巨大成就，不仅深刻地揭示了作为存在自然界的物质性、系统性和层次性，而且揭示了作为演化自然界的过程性、方向性和自组织性。
为了全面理解自然界的辩证法，需要在把握其存在方式的基础上，进一步讨论它的演化发展问题（下面我们先来区分六个概念）。
唯物辩证法是关于物质世界普遍联系和永恒发展的一般规律的科学，是具有普遍指导意义的世界观和方法论。
由此可知，联系是运动、变化、发展的前提，正因为一切事物都是处于相互联系、互相作用之中，所以世界上的一切事物都是运动、变化、发展的。
1、运动——是物质的固有属性和根本存在方式，是标志物质的变化和过程的哲学范畴。
从简单的位置变动到复杂的人类思维活动都是物质运动的表现。
2、变化——是指事物在位置上、形态上或性质上发生了新的状况。
所以，恩格斯说：“运动，就最一般的意义来说，就它被理解为存在的方式，被理解为物质的固有属性来说，它包括宇宙中发生的一切变化和过程，从简单的位置移动起直到思维。
”②因此，我们可以这样说：运动是一般的变化，变化是具体的运动。
它们是同一系列的范畴，具有基本相同的含义。
3、发展——不是同一事物的简单重复，也不是指事物单纯的数量变化，更不是指事物向后倒退的变化；而是指新事物的产生和旧事物的灭亡，是事物由简单到复杂，由低级到高级，由低序到高序的前进上升运动，是标志物质运动的整体趋势和方向性的范畴。
“演化”和“进化”同源于英文“evolution”，有“发展”、“展开”之意。
但实际上，二者是有区别的。
4、演化——是一种具有不可逆性的运动形态，而进化则是一种具有特定方向的演化。
5、进化——是指事物的上升的、从无序到有序、从低序到高序的不可逆过程或复杂性和多样性的增长。
它是开放系统通过与外界环境进行物质、能量和信息的交换，以及子系统或要素之间的协同作用，经过渐变或突变而发生在远离平衡态下的复杂化和有序化的过程。
自然界的存在和演化
（1）宇宙万物在化学元素上具有统一性
太阳系中的太阳、行星都有相同的化学元素。
人们对生命物质基础进行化学分析，发现构成生命的元 素并不多，主要有C、H、O、N四种，还有S、P及其他 一些微量元素。我们知道组成生命的主要物质是蛋白质、 水分和无机盐三大类。元素分析表明，蛋白质一般含碳 50%～55%、氧20%～23%、氮15%～18%、氢6%～ 8%、硫0%～4%，有些蛋白质还含有微量的P、Fe、Zn、 Cu等。
二、物质系统的辩证原理
1、系统是系统与要素的辩证统一 系统和要素的关系，表现为也服从于整体与部分的关系。 2、系统是结构和功能的辩证统一 结构，是系统内各要素之间内在的关系和组织方式，是要 素间相互作用的结果和表现。 功能，是特定结构的物质系统在内部和外部的联系与关系 中，表现出来的特性和能力。 结构和功能的关系：结构是功能的内部根据，是相对稳定 的；功能是结构的外部表现，它随系统与环境的关系而呈 现多样性和易变性。 3、系统是系统与环境的辩证统一
自然界演化发展的普遍性特征
对称与对称破缺：对称是指事物或运动以一定的中介进 行变换时所保持的不变性。 非对称是指事物或运动以一定的中介变换时出现的变化 性，非对称又称为对称破缺（Symmetry breaking)。
二、自然界演化的方向
有退化和进化两个分支 进化一般是指物质客体演化中由无序到 有序、由低序到高序的趋势和过程；退 化一般是指物质客体演化中由有序到无 序、由高序到低序的趋势和过程。 自然过程是有序与无序、进化与退化彼 此消长，交替出现。
自然系统的基本特征
系统是以各要素的属性为基础经由特定关系 而形成的属性不可分割的整体。 1、物质要素、物质关系、物质系统 物质要素包括自然界中各种各样的具体的物 质形态。 物质关系包括时间关系、空间关系、数量关 系等。 物质系统是由若干要素经过相互联系、相互 作用而组成的具有特定功能的有机整体。
自然界的演化过程
自然界的演化过程（1）宇宙、天体的起源与演化。
宇宙包罗万象，中国古代就有人做出了“四方上下曰宇，往古今来曰宙”的概括。
宇宙是自然界各种物质形态的总体。
目前人们所观测到的“宇宙”，总星系的范围约为200亿光年。
关于宇宙的起源，美国物理学家伽莫夫提出了大爆炸宇宙假说。
后来由于出现了理论困难，诸如视界问题、量度问题、磁单极子问题等无法克服，从而导致了古斯暴胀宇宙论的产生。
按照这些学说，宇宙起源于一个超高温、超高密的原始火球经过瞬时的大爆炸，膨胀而成。
当宇宙膨胀到原来的1050倍，像夸克、轻子、玻色子等最基础的基本粒子产生时，标志宇宙的形成。
（2）地球的起源与演化。
地球是在太阳系形成的过程中产生的，迄今已有46亿年。
地球内部圈层的形成和演化。
“冷”起源说认为，原始地球在形成初期温度是比较低的，后来由于压缩效应、冲击效应和放射性衰变，使原始地球温度上升，物理化学作用使物质形态相互转化。
当地球内部温度超过铁的熔点时，构成地球的物质开始熔融、分化。
在吸引和排斥的相互作用下，铁、镍等重元素组成的物质开始下沉，逐渐形成地核，而较轻的物质硅酸盐等上浮形成地幔。
地幔进一步分化，更轻的物质从地幔中上浮到地表，形成原始地壳。
地球外部圈层的形成和演化。
当地球内部重力分异时，大量气体放出地面，在地球引力作用下，附着在地球周围，形成原始大气圈。
其中主要成分是342NH CH CO CO 、、、和O H 2蒸汽。
地壳运动。
根据板块构造学说，整个地壳被划分为若干个大的板块，板块不受海底地壳或大陆地壳的限制，板块驮在地幔的软流圈上，随着软流圈的热对流发生移动。
因此，不仅大陆在飘移，海底也在飘移，整个地壳都由于板块的移动而进行着大规模的水平运动。
（3）生命的起源与生物的进化。
恩格斯说：“生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断自我更新。
”这个定义是依据19世纪的自然科学成就做出来的。
从现代分子生物学的角度看，蛋白质应该是指蛋白质和核酸两大类生物大分子的复杂体系。
自然界的系统演化
F=md²r/dt² 把t –t，方程形式不变，对 时间反演对称，意味时间无方向性
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2
演化物理学：时间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。
热力学中的傅立叶方程
әT(x¸t)
ә²T(x¸t)
әt
= -λ әx²
把t –t，方程形式变化，时间反演不对称
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4
我们越是深入地 分析时间的自然 性质,我们就越加 懂得时间的延续 性意味着发明,就 意味着新形式的 创造,就意味着一 切新鲜事物连续 不断地产生.
——普里高津
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5
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。
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二 自然界的系统演化
（一） 可逆性与不可逆性（是否有时间箭头) 1 可逆与不可逆
如果系统从某一状态变到另一状态后，能够 再回复到原来的状态，并且同时使系统的环 境也回复到原状，这样的过程就是可逆过程。
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1
2自然界的演化过程是可逆还是不可逆的？ 存在物理学与演化物理学
存在物理学：时间是从外部描述运动的一 个参量，它的变化并不影响运动的性质， 因而也无法从运动性质来判别时间。
宇宙的热寂相当于永恒的宁静。一旦宇宙达 到热寂，宇宙将呈现一幅惨淡的景象
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能量在那里还是有的，但它已经丧失了它全 部的转化能力，它已经不能迫使宇宙工 作，·······我们将停留在死寂的但可能是温 暖的宇宙中。————琼斯
在一个非常真实的意义上，我们都是这个 在劫难逃的星球上的失事船只中的旅客。--------------维纳
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自然辩证法-第二章
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洛伦兹吸引子方程及图片
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自然辩证法-第二章
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For example:
两个质量大的星体和一个小质量的星体 组成的系统就是 一个混沌系统。虽然可以用 牛顿定律写出这一系统的动力学方程，但却 无法预言各星体的运动状态。
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2018/11/13
自然辩证法-第二章
14
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。
自 然 观
第2讲 自然界的演化发展
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自然辩证法-第二章
1
一，自然界的历史性
自然界的演化过程 1，宇宙的起源与演化 宇宙大爆炸
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自然辩证法-第二章
2
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自然辩证法-第二章
3
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
2018/11/13
自然辩证法-第二章
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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。
2018/11/13 自然辩证法-第二章 22
洛伦兹吸引子
洛伦兹(E.N.Lorenz)是当代世界知名的动 力气象学家、混沌理论的创立者之一。 他在1963年发表的关于混沌理论的开创 性研究在被冷落了12年之久以后才得到 广泛承认。
2018/11/13 自然辩证法-第二章 15
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”。
2018/11/13 自然辩证法-第二章 16
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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太阳系与地球的演化
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地球的演化
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生命的起源
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自然辩证法-第二章
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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 卡诺循环 时间反演对称 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
自然辩证法-第二章
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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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自然辩证法-第二章
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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。
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自然辩证法-第二章
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序： （熵dS=dQ/T、序参量、信息量） /jp2005/25/pcai /P02/CH02/bh/IndexBhb.html 序：差异程度，对称性破缺
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混沌理论的应用
混沌现象及其理论广泛地应用于城市交 通、工程建筑、信息处理、循环系统、传感 装置、甚至是经济预测和政治危机等方面。
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自然辩证法-第二章
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如: 2007年10月17日中国证监会副主席屠光绍表 示正在研究A股和H股互换问题。
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自然辩证法-第二章
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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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自然辩证法-第二章
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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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自然辩证法-第二章
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For example:
尽管现今的天气预报拥有高效的计算机 和精确的测试数据（温度、风速、气压、方 向），但气候的变化仍属于混沌现象。哪怕 是一个很小的意外干扰，都会导致另一种气 候状况。
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自然辩证法-第二章
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混沌现象虽然本质上是有序的，是一种 确定性运动，但表现形式确实无序的，变化 无常的，因而长期行为是无法预测的。
2018/11/13 自然辩证法-第二章 9二、自Fra bibliotek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。
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 无序对应的则是 对称
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自然辩证法-第二章
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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。
受消息面影响，10月18日深沪股市大幅缩量下挫，上 证指数一举跌破6000点，至收盘跌至825.28点，下跌 211点，跌幅达3.5％。深证成指也跌去606点，跌至 18681.35点，跌幅达3.15％。流通市值前十名的个股 全线飘绿，两市总市值较前一交易日蒸发了10101亿 元。 18日晚有关部分表示屠的发言属“口误”