第二章

現代科學技術

和自然觀的發展19世紀末20世紀初，物理學出現三大新發現和兩個問題，徹底地變革了科學的自然圖景，推動自然科學進入現代自然科學發展的新階段。第一節19—20世紀之交的物理學革命與系統自然觀的產生一、世紀之交的物理學發現、危機19世紀末物理學三大發現X射線的發現：真空管陰極射線，倫琴

1895年11月8日，發現了新的射線。它具有極強的穿透力。貝克勒爾出生在研究熒光的世家。鈾的放射性。居里夫人，放射性一詞的首次提出。電子的發現揭示陰極射線的本質。它比原子更小，是一切化學原子的共同成分。這些放射性元素的新發現是否意味著元素是可變的？能量還守恒嗎？電子的發現打破了原子是構成物質的最小單位的觀念。標志著人們對物質結構的認識到了一個新的階段。這些新發現動搖了物質不滅性、能量的守恒性、原子和元素不可分性和不變性、是物質組成最小單位、時間和空間的絕對性、運動的連續性等等形而上學的觀念。同時，正當人們陶醉在物理學經典體系“盡善盡美”的境界時，物理學的晴朗天空中卻出現了“兩朵烏云”，這就是當時經典物理學理論無法解釋的麥克爾遜—莫雷實驗和黑體輻射實驗。物理學陷入空前的危機。麥克爾遜—莫雷實驗： 按照麥克斯韋的理論，電磁波必須依靠以太介質以有限速度來傳遞，但尋找以太的實驗未取得肯定結果。這意味著在真空中傳播的光速對以任何速度運動的物體來說都是不變的。這意味著不存在時空的絕對參考系。（愛因斯坦突破了以太說和牛頓的絕對時空觀，在1905年提出了狹義相 對論）黑體輻射實驗1900年，英國物理學家瑞利根據經典統計力學和電磁理論，推出了黑體輻射的能量分布公式。該理論在長波部分與實驗比較符合，但在短波部分卻出現了無窮值，而實驗結果趨于零。這部分的嚴重背離，被稱為紫外災難。1900年普朗克作出了一個公式，使在長波和短波部分均與實驗相吻合的公式。但根據不足。他發現，只要假定物體的輻射能不是連續變化，而是以一定的整數倍跳躍式的變化，就可以對自己的公式做出合理的解釋。他于是將最小的不可再分的能量單元稱謂能量子或量子。當年宣告量子論的誕生。19世紀末的三大發現，動搖了經典物理學的許多基本概念，打開了原子結構的大門，否定了經典物理學原子不可分、元素不能變的傳統觀念，揭示了質量、能量的新形式。量子理論的能量子假說與經典物理學幾百年信奉的關于自然界的連續的觀念直接矛盾。這樣一個理論為光的波粒二象性本質的認識提供了方向。經典物理學的危機實質是形而上學思維方式和機械論自然觀的危機，表明舊理論在新發現面前的無能為力。量子力學和相對論的創立充分說明這樣一個事實：自然科學的重大理論突破，需要善于發現已有的理論與實踐的矛盾，需要有勇于挑戰傳統理論的自信心與勇氣；重大理論的創建和形成，往往要經歷長時間的爭論以至非難，在得到反復驗證后，才被承認；同時也說明創新意識、創新思想在科學研究中所具有的重大作用和意義。二、20世紀上半葉的物理學革命及其辯證自然觀思想20世紀初，正是在解決新實驗事實同舊理論之間的矛盾的過程中，愛因斯坦和普朗克等科學家創立了以相對論和量子力學為支柱的現代物理學理論體系。1相對論

1905年德國科學家愛因斯坦創建狹義相對論，科學地揭示了時間與空間、時間和空間與物質運動之間、質量和能量之間的統一性。1916年他又創立了廣義相對論，揭示了空間、時間與物質之間存在的辯證關系。科技史328愛因斯坦相對論的生動體現同時性具有相對性。運動著的鐘會變慢。運動的尺會變短。以上都取決于參考系運動的速度。光速。時空與物質運動速度有關。光走過引力場時走的是彎曲的道路，就像炮彈在引力場作用下沿拋物線下落。而光是物體運動的極限，所以光走的是最短程。彎曲的線是短曲線，這說明引力場時空間彎曲，空間彎曲的程度取決于引力場的強度，或者說取決于物質的狀態。————進一步說明空間與物質發生了密切的聯系。引力紅移。引力場時光線偏轉。廣義和狹義相對論的誕生，革新了物理科學的基本概念的框架。由于近代世界圖景主要由物理科學提供，也可以說相對論革新了世界圖景。世界的圖景不再是“筐子裝東西”式的“時空+物質”模式。由于時空與物質及其運動之間發生了關聯，世界圖景變成了“時空-場-物質-流形”。經典物理學中時空與物質之間的二分消解了，物質運動與時空成為一體。相對論在時空觀方面的革命完全奠基于對希臘古典科學精神的再度弘揚。這種精神就是對世界普遍性的追求，對宇宙和諧的追求，對數學簡單性的追求。在狹義相對論中，“光速不變原理”起到重要的作用，它的功能在于統一電動力學與牛頓力學，他說：狹義相對論的成就可以表征為一般地指出了普遍常數c（光速）在自然規律中所起的作用。在廣義相對論中，等效原理即引力場與加速度的等效是一個關鍵，它的功能也視為物理學的大統一奠定基礎。可以說，為物理學奠定新的統一的概念基礎是相對論的最重要貢獻，也就是導致物理學革命的主要原因。2.量子力學1927年矩陣力學和波動力學被證實二者是等價的，后稱“量子力學”。盧瑟福：原子有核模型。原子質量基本上集中于核上，饒核旋轉的電子所帶負電正好與核所帶的正電相等量。原子表現出電中性。玻爾：量子化的原子結構模型。電子只在一些特定的圓軌道上繞核運行。當它在這些特定的軌道上運行時并不發射能量，只有從一個較高能量的軌道向一個能量較低的軌道躍遷時才發出輻射，反過來則吸收輻射能。這樣一個理論是對盧瑟福模型的完善，也得到氫原子光譜分析的驗證。這個理論違背古典理論。（科技史338）德布羅意：物質波理論。光量子理論推廣到一切物質粒子，特別是電子。電子也是一種波。海森堡：矩陣力學。互補原理：微觀領域測不準原理。這些革命性成就的取得，一方面產生了兩個全新的自然科學基礎理論：相對論和量子力學，另一方面還對自然觀產生了深遠影響，展現出一幅全新的自然景觀：其一，徹底推翻了物質與運動無關的形而上學觀點，深刻地揭示了物體質量與運動速度、物質質量與時空之間的深刻關聯；其二，絕對時空并不存在，時空不僅與物質關聯，而且本身就是物質、運動的存在屬性和方式。同時，它還觸發了一系列深刻的哲學和科學爭論。愛因斯坦與波爾之爭.doc量子力學究竟是否是描述真實世界的完備理論？海森堡提出微觀領域測不準原理。任何一個粒子的位置和動量不可能同時準確測量，要準確測量一個，另一個就完全測不準。珀爾敏銳地意識到它正是表征了經典概念的局限性，因此以之為基礎提出了“互補原理”，認為在量子領域里總是存在著互相排斥的兩套經典特征，正是它們的互補構成了量子力學的基本特征。珀爾的互補原理被稱為正統的哥本哈根解釋，但愛因斯坦表示堅決反對。他始終認為統計性的量子力學是不完備的，而互補原理是一種妥協。二人之爭持續半個世紀，直到他們本人各自去世也沒有完結。量子力學更激烈地改表了世界圖景的構造。如果說相對論只是把時空框架與物質運動融為一體，還保留了牛頓力學固有的嚴格決定論的數學微分方程，保留了因果律，保留了定域性（拒絕超距作用），那么這一切在量子世界中都多或少地遭到了破懷。量子概念是量子力學的首要概念，它的引入導致了一系列基本概念的改變：連續軌跡的概念被打破，代之以不連續的量子躍遷概念；嚴格決定論的概念被打破，代之以概率決定論；定域的概念被打破，代之以整體論的概念。伴隨著這些基本概念的變化，量子世界出現了波粒二象性、測不準原理、定域性破壞等。愛因斯坦和玻爾關于量子力學原理的爭論，使人們認識到：不帶成見和偏見的真正而健康的學術爭論和爭鳴是推動和促進科學發展進步的重要方法和途徑之一。這場爭論的結果是物理學家們對量子理論的深入探討和研究，形成了量子通信、量子計算、量子密碼、量子測量的研究熱潮。在量子力學的新應用中，最引人注目的是信息科學，量子信息科學充分應用量子的特性，如，量子相干、量子糾纏來實現信息處理，是對信息理論的革命性的突破。3.分子生物學

1953年美國生物學家沃森、英國生物學家 克里克和維爾金斯關于DNA雙螺旋結構 的發現，標志著分子 生物學的誕生，它闡明了生物界結構和生 命活動的高度一致性。三、系統科學的出現和系統自然觀的誕生20世紀40年代末興起的控制論、信息論、系統論，是系統科學研究的第一批成果。20世紀70年代前后相繼出現的耗散結構理論、協同學、突變論、超循環論等自組織理論及分形理論、孤粒子理論和混沌理論，是系統科學的最新發展。系統科學的誕生給辯證自然觀的發展增添了新的思想和內容：在物質觀上開始把具有復雜性特征的事物作為研究對象；在時空觀上深入研究時空與物質關聯的復雜性；在演化觀上強調事物的生成與演化及其方向和趨勢；在生命觀上突出“自組織”的觀點（事物自發自主地從非生命演化出生命）；在發展觀上強調環境和條件（外因）的作用；最大的變革在于它提出了自然界是一個系統的觀點.四、系統自然觀的基本內涵和思想

系統自然觀建立在新物理學革命和系統科學基礎之上，為人們描繪出一幅從基本粒子、原子、分子化合物直到人類，從微觀領域到宇觀天體系統演化的自組織、自我運動、自我創造的辯證的演化發展的自然圖景。系統自然觀的基本內涵它揭示了自然系統不僅存在著，而且演化著；自然系統不僅是確定的，而且會自發地產生不可預測的隨機性；自然系統不僅是簡單的、線性的，而且是復雜的、非線性的。闡發了自然界是確定性與隨機性、簡單性與復雜性、線性與非線性的辯證統一的思想。這不僅豐富和發展了辯證唯物主義自然觀，更為重要的是，它突破了傳統的思維方式，提供了一種探索組織性、復雜性問題的全新的思維方式——系統思維方式。第二節

自然界的系統存在方式及其演化一、何謂“系統”？所謂“系統”，是由若干相互聯系、相互作用的要素組成的具有特定結構與功能的有機整體。系統的四層含義：系統的基本特征：整體性：有機整體，非加和性。貝塔朗菲：相干性，部分之間的約束、選擇和協同的關系；物質系統中任何一個子系統形狀的改變是所有子系統形狀變化的結果，又會引起所有子系統形狀的變化，這些因素之間的關系是互為對象的雙向因果關系。層次性，是系統要素的空間關系。要素由于性質、狀態基本相同形成一定的組，各個組在宏觀性質上具有質的區別，各有其特殊的規律。各個組可以并列關系，可以是上下關系，包含與被包含關系，整體與部分。協調性自然界的層次結構二、系統是自然界物質存在的普遍形式19世紀，恩格斯明確指出系統是自然界物質的存在方式。從人與自然的關系：自然系統可分為天然自然系統和人工自然系統。從自然系統與環境的關系，可分為：孤立系統，封閉系統和開放系統。就系統的狀態而言，自然系統可分為平衡態系統，近平衡態系統，遠離平衡態系統孤立系統：沒有物質和能量的交換。熵趨于最大值。死系統封閉系統：同環境有能量的交換，沒有物質的交換。地球。開放系統：由物質與能量的交換。具有自組織功能，具有達到預期的某種終極狀態的能力，又在一定條件下趨向于一定的穩態。生命系統。開放系統的特點（1）外部特征是存在輸入和輸出，同環境不斷地交換信息、能量和物質；（2）內部特征是不斷破壞自身舊的物質成分，不斷組建新的物質成分，廣義的新陳代謝；（3）開放系統可能具有等結果性：不同的初始條件可能以不同方式達到相同的最終狀態。開放系統也有邊界，有一定的開放度，而且是有選擇、有過濾地向環境開放，如生命對自然環境的開放。所謂充分地開放，也只是系統得以保持和穩定發展基礎上的充分開放。并不是無條件地越開放越好。平衡態系統：在沒有環境因素的作用下，內部的相互作用處于相對靜止、穩定的狀態，即內部無差異、各種量相同。近平衡態系統：是系統內部有一定差異，但只能導致線性相互作用的狀態，線性相互作用的一個特征就是整體等于部分之和。遠離平衡態系統：是系統內有較大差異，可使系統出現非線性相互作用的狀態，非線性相互作用的一個特征就是整體不等于部分之和。三、自然界的演化20世紀的新物理學革命革新了機械自然觀的物質觀和時空觀。隨后出現的系統科學和非平衡態熱力學則帶來了從靜止到演化的自然觀——演化發展的自組織自然觀。基本觀點是：自然的演化過程具有不可逆性；自然的進化是一個不斷有序化和發生對稱性破缺的過程，具有開放性、遠離平衡態、非線性相互作用和漲落的自組織機制；自然界的循環發展具有無限性。自然界的演化方向:是指自然運動的指向——朝某種方向的變化。強調的是終點。方向性與目的相概念相似。變化的趨勢，好像在追求一個目標。方向性是自然變化的一種內在的本質屬性。一個空間方向同其他方向不同，就是空間對稱的破缺。對稱性的破缺就使運動變化具有方向性。時間的方向性時間的不可逆勢自然界變化不可逆性的反映。可逆：是指自然系統經過變化以后又回到了原來的狀態，而不引起環境的任何變化。不可逆：如系統經過變化，引起了環境的變化，再也不能完全復員到原來的狀態。普里高津：不可逆是有序之源。可逆與不可逆：可逆是相對的，不可逆是絕對的。自然界總體來看是不可逆的。牛頓力學：自然界可逆； 熱力學第二定律：不可逆； 能量守恒與轉化定律：可逆； 熵增加原理：不可逆。 可逆在時間上是對稱的（時間的反演對稱）屬于存在物理學范疇。 不可逆過程屬于演化物理學自然界的演化有眾多的方向。在諸多的可能方向中，經過一段變化后，就會出現一個主導方向，就是概率最大的方向。美國的物理學家費因曼根據他對量子物理學的理解，認為宇宙有多種歷史。有多種可能的途徑。粒子運動雖然有無數可能的途徑，但只有一條路徑是重要的，即在牛頓經典運動定律中出現的那一個。在費因曼的模型中，保證了除了一個路徑外所有路徑的貢獻在求和時都抵消了。這個運動方向實現的概率是如此之高，以致人們常誤以為運動只有一個方向。自然界的變化既有確定性，又有不確定性 有一個主導方向，這就是確定性；有無限個可能方向，就是不確定性。確定性來自不確定性。最初的運動也許是雜亂無章，后來逐漸形成一個優勢方向，便開始出現了有序結構。自然物變化的主導方向一般是由其內在本性決定的，在一定條件下具有必然性，而運動從主導方向轉向非主導方向，常常是外部環境作用的結果，偶然性就扮演重要的角色。自然變化的方向有層次性。有整體的方向，也有局部的方向；有過程的總方向，也有各個階段的方向。有時一致，也有不一致。各個小方向也常常互不相同，這是自然發展曲折性的表現。山貓多和野兔少，山貓多。一般來說，大方向決定小方向，小方向服從大方向。要素可以有自己的方向，但又遵守系統的大方向。前進的道路是彎曲的，每個彎曲都有自己的小方向。大彎曲里有小彎曲，小方向里還有更小的方向。這些小方向又互相抵消，小方向的綜合，便形成了大的方向。自然界的演化有兩個方向：進化和退化，進化是更為基本的方向。近代的地質學、天文學和生物學推動了進化論思潮。 笛卡爾《哲學原理》地球的形成過程。 萊布尼茨，《原始地球》。康德。沃爾夫《發生論》達爾文《物種起源》系統的演化涉及的概念演化發生在復雜系統中結構和要素簡單和復雜 線性和非線性競爭和協同是系統演化最活躍的動力信息與熵自組織與他組織宇宙熱寂說熱力學第二定律：熱運動形式和熱能熵趨向無窮大。宇宙中一切運動形式就停止了。分析:蝴蝶效應：確定的系統有內在的隨機性；對初始條件的敏感性；初始條件經過非線性作用逐級放大，演化過程中會導致有重大區別的結果。自組織理論揭示了自然界進化的機制。系統進化的條件：第一，系統處于開放狀態，同外界有物質、能量和信息的交流。第二，系統處于遠離平衡態狀態。第三，系統的非線性相互作用。第四，內部漲落。對平均狀態的偏離稱為漲落。漲落是隨機的、偶然的。一般情況下，漲落會被系統結構所約束，小的漲落一般會衰減。但在系統狀態的臨界點上，微小的漲落可能會放大，形成巨漲落，使系統的狀態發生質的變化，導致有序結構的出現。初始條件的敏感性。長期天氣預報不可能。第三節天人和諧的生態自然觀 20世紀自然觀新進展不僅體現了關于自然界系統聯系和演化發展的特征，而且還體現了人與自然關系的新認識特性。 以往的自然觀主要是關于自然的觀點，而20世紀的辯證自然觀則是包含人和社會因素在內的自然觀，是人如何對待自然的認知、態度和倫理價值的自然觀。競爭與協同

復雜系統中要素之間的競爭和協同的關系在自然界的進化中具有重要的意義。競爭指系統內部不同要素之間或者不同的子系統之間，不同的系統之間通過斗爭（優化、擇優劣汰、自然選擇等）促進系統的演化。協同有共同、合作、協調和同步之意，是系統許多要的聯合作用。所謂協同學就是專門研究協同關系，認為在系統中的各個要素或者子系統之間不僅存在著相互排斥的關系，而且這些相互競爭的要素在一定條件下會走向協同。自然界的演化表明；自然界的變化總是力求消耗最小，遵循效率最大的原則——最小作用原理。這是自然選擇的結果。自然選擇在世界上每日每時都在精密檢查著最微細的變異，把壞的排斥掉，把好的保存下來并把它們積累下來；無論什么時候什么地方，只要有機會，它就靜悄悄地不知不覺地在工作，把各種生物與無機的和有機的生活條件的關系加以改進。這種緩慢的變化，我們是看不出來的，直到經過極長的年代才能看到。——達爾文哈肯說:每當一種新的有序狀態開始時，大自然聽任該系統在幾種可能性中選擇其一。自然的系統本身有選擇的機制。所謂自然界的和諧是指物質或者過程中各種有質的差異的部分協同共進的關系，和諧就是相互配合、相互促進的關系；相互補充、相互支持、相互完善、相互推動的關系。和諧的前提是差異。和諧的特征之一是比例合理。和諧是一種平衡狀態。宇宙為什么是和諧的？牛頓;第一推動力萊布尼茨：前定和諧說人擇原理：因為在和諧宇宙中才會有我們人類，才會提出這個問題。宇宙有多種可能，又和諧也有不和諧。霍金：事物之所以如此是因為我們如此。哈肯的協同學是關于系統各部分之間相互協作的理論，是協同合作之學，主要探討系統內部有序、自組織的集體行為，其基本觀點是：協同是有序之源。哈肯的協同學強化了統一性對事物發展的作用。競爭或者斗爭并不是集體運動中