自然界的演化发展
谷晓芸
guxiaoyun_2006@_2006@
自然界的演化过程
• 自然界不仅是存在着，而且是生成着并自然界不仅是存在着，而且是生成着并
消逝着。自然界是由一系列转化过程构成的消逝着。自然界是由一系列转化过程构成的
““过程的集合体过程的集合体””，一切事物都有其产生发，一切事物都有其产生发
展灭亡的过程。这里以下面几个为例来说明展灭亡的过程。这里以下面几个为例来说明
•一、宇宙的起源与演化
•二、恒星的起源与演化
•三、生命的起源与进化
•四、人类的产生与发展
2
一、宇宙的起源与演化
•• 现代宇宙学是以广义相对论为基础的理论，以哈现代宇宙学是以广义相对论为基础的理论，以哈
勃定律为观测依据，并在宇宙学原理的假设下，研究勃定律为观测依据，并在宇宙学原理的假设下，研究
宇宙整体的结构、运动和演化规律的一门学科。现代宇宙整体的结构、运动和演化规律的一门学科。现代
宇宙学关于宇宙的模型较多，如宇宙学关于宇宙的模型较多，如
–爱因斯坦静态有限无边宇宙模型爱因斯坦静态有限无边宇宙模型
–弗里德曼膨胀宇宙模型弗里德曼膨胀宇宙模型
–恒稳态宇宙模型恒稳态宇宙模型
–大爆炸宇宙模型大爆炸宇宙模型
大爆炸宇宙模型为大多数科学家所接受，通常称大爆炸宇宙模型为大多数科学家所接受，通常称
为为““标准宇宙模型标准宇宙模型””。这里着重讲这个模型。这里着重讲这个模型 3
爱因斯坦静态有限无边的宇宙模型（爱因斯坦静态有限无边的宇宙模型（19171917））
• 这是历史上第一个关于宇宙运动自洽而
统一的动力学模型。由于当时尚未发现
河外星系普遍退行现象，爱因斯坦相信
宇宙在大尺度上的特征是不应该随时间
而变化的。
• 1929年哈勃红移发现后，这个模型被抛
弃。但这个模型开创了现代宇宙学研究。
4
弗里德曼膨胀宇宙模型（1922）
• 弗里德曼在解爱因斯坦引力场方程时，得
到一个均匀、各向同性的宇宙动态时空度
规。由此得到宇宙空间随时间膨胀的观念，
哈勃红移发现后，这个模型受到重视。
• 奇点是演化态宇宙学的难题。
• 注：哈勃定律：注：哈勃定律：
V0=cZ=H0D
其中其中VV
00
是星系退行速度，是星系退行速度，cc是光速，是光速，ZZ是谱线的是谱线的
移量，移量，DD是星系离我们的距离，是星系离我们的距离，HH
00
是哈勃常数。是哈勃常数。
HH
00
==1515（千米（千米//秒）秒）//百万光年百万光年
5
恒稳态宇宙模型
• 1948年英国天文学家H·邦迪、霍伊尔、
戈尔德共同提出。
• 这个模型认为宇宙是不断膨胀的，其密
度保持不变，好处在于不存在奇点问题，
但困难在于如何说明物质从虚空中产生。
• 这个模型已经证明是错误的。
6
勒梅特的大爆炸假说
• 1927年，比利时天文学家勒梅特发表大
爆炸(Big Bang)理论，认为宇宙在此之
前是零体积，就是说宇宙内任何两点之
间是零距离，物质密度是无限大，宇宙
在此之前没有“从前”。突然间，这个
零体积的原始原子发生爆炸(点无大小)
，不仅物质出现，时间－空间的结构也
存在了。勒梅特的假说是大爆炸理论的
开始。
7
伽莫夫的大爆炸假说
• 19481948年，美国物理学家伽年，美国物理学家伽
莫夫等人受奥本海默的核莫夫等人受奥本海默的核
爆炸研究工作的启发，把爆炸研究工作的启发，把
核物理知识与宇宙膨胀理核物理知识与宇宙膨胀理
论结合起来，提出宇宙起论结合起来，提出宇宙起
源于一个温度极高（约源于一个温度极高（约150150
亿度）、密度极大、由中亿度）、密度极大、由中
子组成的子组成的""原始火球原始火球""的假的假
说，这个假说发展了勒梅说，这个假说发展了勒梅
特的大爆炸理论，并说明特的大爆炸理论，并说明
了化学元素的起源。了化学元素的起源。 伽莫夫伽莫夫
8
伽莫夫的大爆炸假说
•• 伽莫夫伽莫夫认为：认为：““原始火原始火
球球””充满了辐射和基本充满了辐射和基本
粒子，后来由于球内的粒子，后来由于球内的
基本粒子的相互作用发基本粒子的相互作用发
生核聚变反应，引起了生核聚变反应，引起了
爆炸，并向外膨胀；后爆炸，并向外膨胀；后
来辐射温度和物质密度来辐射温度和物质密度
急速下降，热核反应停急速下降，热核反应停
止，其间产生了各种元止，其间产生了各种元
素，这些元素的演变便素，这些元素的演变便
形成了今天宇宙中的各形成了今天宇宙中的各
种物质。种物质。 9
• 根据大爆炸宇宙论，宇宙的演化经历了以下几根据大爆炸宇宙论，宇宙的演化经历了以下几
个阶段：个阶段：
11）、基本粒子形成阶段）、基本粒子形成阶段
22）、辐射或核合成阶段）、辐射或核合成阶段
33）、实物阶段）、实物阶段
• 从从19481948年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，年伽莫夫建立热大爆炸的观念以来，
通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出通过几十年的努力，宇宙学家们为我们勾画出
这样一部宇宙历史：这样一部宇宙历史：
大爆炸宇宙论大爆炸宇宙论（（big-bang cosmology big-bang cosmology ））：：
10
•• 大爆炸开始时大爆炸开始时
150 150－－200200亿年前，极小体亿年前，极小体
积，极高密度，极高温度。积，极高密度，极高温度。
•• 大爆炸后大爆炸后1010-43-43秒秒
宇宙从量子背景出现。宇宙从量子背景出现。
•• 大爆炸后大爆炸后1010-35-35秒秒 同一场分解为强力、电力、弱力和同一场分解为强力、电力、弱力和
引力。引力。
•• 大爆炸后大爆炸后1010-5-5秒秒 10 10万亿度（万亿度（101013 13 KK）），质子和中子形，质子和中子形
成。成。
•• 大爆炸后大爆炸后秒秒
1000 1000亿度（亿度（101011 11 KK）），光子、电子、中微子为主，，光子、电子、中微子为主，
质子中子仅占质子中子仅占1010亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，
温度和密度不断下降。温度和密度不断下降。
•• 大爆炸后大爆炸后秒后秒后
300 300亿度（亿度（3×103×1010 10 KK）），中子质子比从，中子质子比从下降到下降到。。
11
•• 大爆炸后大爆炸后11秒后秒后
100 100亿度（亿度（10101010 KK）），中微子向外逃逸，正负电子，中微子向外逃逸，正负电子
湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。
•• 大爆炸后大爆炸后秒后秒后
30 30亿度（亿度（3×103×1099 KK）），氘、氦类稳定原子核（化，氘、氦类稳定原子核（化
学元素）形成。学元素）形成。
•• 大爆炸后大爆炸后3535分钟后分钟后
3 3亿度（亿度（3×103×108 8 KK）），核过程停止，尚不能形成中，核过程停止，尚不能形成中
性原子。性原子。
•• 大爆炸后大爆炸后3030万年后万年后
3000 3000度（度（3×103×1033 KK）），化学结合作用使中性原子，化学结合作用使中性原子
形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作
用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系
统。统。 12
大爆炸理论中宇宙的演化历程大爆炸理论中宇宙的演化历程
13
• 大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事
实：
11））河外星系的谱线红移河外星系的谱线红移。观测到河外天体有系统。观测到河外天体有系统
性的谱线红移性的谱线红移,,而且红移与距离大体成正比。如而且红移与距离大体成正比。如
果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨
胀的反映。胀的反映。
22））3K3K宇宙宇宙微波背景辐射微波背景辐射。。（（彭齐斯、威尔逊）彭齐斯、威尔逊）
33）氦的丰度。在各种不同天体上，氦丰度相当大，）氦的丰度。在各种不同天体上，氦丰度相当大，
而且大都是而且大都是30%30%。用恒星核反应机制不足以说明。用恒星核反应机制不足以说明
为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早
期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说
明这一事实。明这一事实。
44）天体的年龄。大爆炸理论主张所有恒星都是在）天体的年龄。大爆炸理论主张所有恒星都是在
温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应
比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小
于于200200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。
14
二、恒星的起源与演化
• 根据弥漫说的理论（星云说），恒星的起根据弥漫说的理论（星云说），恒星的起
源与演化可划分为引力收缩、主序星、红巨星、源与演化可划分为引力收缩、主序星、红巨星、
高密恒星等几个阶段。高密恒星等几个阶段。
• 1、引力收缩阶段（原恒星）
星星云云物物质质在在演演化化过过程程中中，，由由于于自自身身的的引引力力
而而收收缩缩。。在在收收缩缩过过程程中中内内部部温温度度升升高高，，当当云云团团
中中心心温温度度达达到到20002000KK时时，，中中心心形形成成内内核核，，来来自自
恒恒星星内内部部的的辐辐射射压压将将周周围围物物质质驱驱散散，，恒恒星星逐逐渐渐
露出，恒星露出，恒星““婴儿婴儿”——“”——“红外星红外星””就诞生了。就诞生了。
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22、主序星阶段、主序星阶段
当当恒恒星星中中心心温温度度达达到到700700万万度度以以上上时时，，开开始始核核聚聚变变反反
应应，，氢氢聚聚变变为为氦氦，，恒恒星星停停止止收收缩缩，，形形成成了了正正常常的的恒恒星星，，
进进入入了了主主序序星星阶阶段段。。主主序序星星阶阶段段占占恒恒星星一一生生寿寿命命的的90%90%，，
是是恒恒星星最最稳稳定定的的阶阶段段。。质质量量不不同同的的恒恒星星，，主主序序星星阶阶段段长长
短不同。质量越大寿命越短。太阳约为短不同。质量越大寿命越短。太阳约为100100亿年。亿年。
• 33、红巨星阶段、红巨星阶段
随随着着核核聚聚变变的的进进行行，，恒恒星星中中心心的的氦氦核核越越来来越越多多，，氦氦
核核周周围围的的氢氢越越来来越越少少，，当当氦氦核核质质量量占占到到恒恒星星质质量量的的12%12%时时，，
反反应应便便逐逐渐渐从从中中心心区区向向外外停停止止，，从从而而辐辐射射压压力力减减少少，，恒恒
星星再再次次出出现现““引引力力坍坍缩缩””，，释释放放出出巨巨大大的的引引力力势势能能，，使使
中中心心温温度度升升高高至至上上亿亿度度，，引引起起三三个个氦氦核核聚聚变变为为一一个个碳碳核核
的的新新的的核核反反应应。。恒恒星星外外层层膨膨胀胀，，体体积积急急剧剧增增大大，，表表面面温温
度度降降低低，，内内部部的的引引力力和和斥斥力力又又达达到到平平衡衡。。恒恒星星脱脱离离主主序序
星星阶阶段段，，进进入入了了老老年年期期————红红巨巨星星。。太太阳阳将将在在这这阶阶段段停停
留约留约1010亿年。亿年。 16
44、高密恒星阶段、高密恒星阶段
质质量量小小于于太太阳阳质质量量的的恒恒星星则则比比较较平平稳稳地地抛抛出出
物物质质，，形形成成行行星星状状星星云云，，中中央央残残核核留留有有一一颗颗致致密密天天体体
————白白矮矮星星。。质质量量<<m<<太太阳阳质质量量的的恒恒星星就就可可能能
演演化化为为中中子子星星；；更更大大质质量量的的恒恒星星后后期期要要发发生生塌塌缩缩或或大大
爆发，中心成为黑洞。爆发，中心成为黑洞。
17
18
19
三、生命的起源与进化
• 11、生命的起源、生命的起源
生命的起源是通过化学的途径实现的。目前生命的起源是通过化学的途径实现的。目前
认为生命的化学演化过程大致经历了三个阶段：认为生命的化学演化过程大致经历了三个阶段：
（（11）、从无机分子到有机小分子）、从无机分子到有机小分子
地球的原始大气中含有氨地球的原始大气中含有氨((NHNH33))、、甲烷甲烷((CHCH44))、、氰化氢氰化氢
((HCN)HCN)、、硫化氢硫化氢((HH22S)S)、、二氧化碳二氧化碳((COCO22))、、氢气氢气((HH22))、、水水
((HH22O)O)等成分，但没有游离的氧气。在宇宙射线、太阳紫等成分，但没有游离的氧气。在宇宙射线、太阳紫
外线、闪电、高温等的作用下而自然合成了一系列的小外线、闪电、高温等的作用下而自然合成了一系列的小
分子有机化合物，例如氨基酸、核苷酸、嘌呤、嘧啶、分子有机化合物，例如氨基酸、核苷酸、嘌呤、嘧啶、
单糖、脂肪酸等。单糖、脂肪酸等。 20
•• 19531953年，米勒用水（年，米勒用水（HH22OO）、）、
甲烷（甲烷（CHCH44）、）、氨气（氨气（NHNH33））
和氢气（和氢气（HH22））但是不包括氧但是不包括氧
气（气（OO22））共同混合，他假定共同混合，他假定
该混合物的成分类似于原始该混合物的成分类似于原始
大气，然后一起灌入到一个大气，然后一起灌入到一个
特殊的玻璃装置中，给瓶内混合物加特殊的玻璃装置中，给瓶内混合物加
热，使之不断沸腾，产生气体。气体热，使之不断沸腾，产生气体。气体
经过一个装有两个电极的小室，室内经过一个装有两个电极的小室，室内
连续产生火花，犹如大自然的闪电和连续产生火花，犹如大自然的闪电和
火山爆发，然后经过冷却又变成液体火山爆发，然后经过冷却又变成液体
回到原处。经过一个星期后，米勒使回到原处。经过一个星期后，米勒使
用纸套色版证明了瓶中现在含有几个用纸套色版证明了瓶中现在含有几个
氨基酸和一些其它有机物。氨基酸和一些其它有机物。 21
（（22）、从有机小分子到生物大分子）、从有机小分子到生物大分子
当氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪当氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪
酸等有机小分子物质形成之后，在适酸等有机小分子物质形成之后，在适
当的条件下，它们可以进一步形成复当的条件下，它们可以进一步形成复
杂的有机物质。例如蛋白质、核酸、杂的有机物质。例如蛋白质、核酸、
多糖、类脂等大分子物质。多糖、类脂等大分子物质。 其中蛋白质和核酸的形其中蛋白质和核酸的形
成对于生命现象具有非常重要的作用。对于它们的形成成对于生命现象具有非常重要的作用。对于它们的形成
主要有两种观点。主要有两种观点。
① ①、陆相起源。他们认为聚合反应是发生在火山的局部、陆相起源。他们认为聚合反应是发生在火山的局部
高温地区，聚合生成的生物大分子经雨水冲刷汇集到海高温地区，聚合生成的生物大分子经雨水冲刷汇集到海
洋，并在一定的条件作用下，继续发展成为复杂的有机洋，并在一定的条件作用下，继续发展成为复杂的有机
物质。物质。 （如福克斯）（如福克斯）
② ②、海相起源。认为在原始的海洋中的氨基酸和核苷酸、海相起源。认为在原始的海洋中的氨基酸和核苷酸
等小分子有机物可以被吸附于粘土一类的物质的活性表等小分子有机物可以被吸附于粘土一类的物质的活性表
面，而在适当缩合剂（如羟胺类化合物）存在时，可以面，而在适当缩合剂（如羟胺类化合物）存在时，可以
发生聚合反应。发生聚合反应。 （如奥巴林）（如奥巴林）
22
（（33）、从生物大分子到原始生命体系的诞生）、从生物大分子到原始生命体系的诞生
•• 生物大分子并不能独立表现生命现象，只有形成生物大分子并不能独立表现生命现象，只有形成
了众多的、乃至成百万的以蛋白质、核酸为基础的多了众多的、乃至成百万的以蛋白质、核酸为基础的多
分子体系时，才能表现生命萌芽。而生物大分子在溶分子体系时，才能表现生命萌芽。而生物大分子在溶
液中自动聚集，从而形成各种独立的多分子体系，出液中自动聚集，从而形成各种独立的多分子体系，出
现团聚体或微球体。由于多分子体系可以起到有机表现团聚体或微球体。由于多分子体系可以起到有机表
面的催化作用，而反过来作用于各类单体的聚合，促面的催化作用，而反过来作用于各类单体的聚合，促
使产生更高级的蛋白质和核酸，然后通过有序性逐渐使产生更高级的蛋白质和核酸，然后通过有序性逐渐
提高的长期过程，其结构、机能便愈益复杂和完善，提高的长期过程，其结构、机能便愈益复杂和完善，
由此产生出原始生命。由此产生出原始生命。
这种原始生命是如何形这种原始生命是如何形
成的，大致有两种理论：一成的，大致有两种理论：一
是奥巴林的团聚体假说；另是奥巴林的团聚体假说；另
一种是福克斯的微球体假说。一种是福克斯的微球体假说。
23
22、生命的进化、生命的进化
•• （（11）、从非细胞形态到细胞形态的进化）、从非细胞形态到细胞形态的进化
•• ①①、由原始生命到原始细胞、由原始生命到原始细胞
•• ②②、由原始细胞到原核细胞、由原始细胞到原核细胞
•• ③③、由原核细胞到真核细胞、由原核细胞到真核细胞
24
（（22）、从低等生物到高等生物的进化）、从低等生物到高等生物的进化
•• 真核细胞产生后，生物界分化为两大支，出现了原真核细胞产生后，生物界分化为两大支，出现了原
始的单细胞植物和动物。始的单细胞植物和动物。
•• ①①、植物界的进化、植物界的进化
•• 菌藻植物菌藻植物 苔藓植物和蕨类植物苔藓植物和蕨类植物 裸裸
子植物子植物 被子植物被子植物
( (蓝藻是地球上最古老的绿色植物蓝藻是地球上最古老的绿色植物))
25
②②、动物界的进化、动物界的进化
•• 11）、从单细胞到多细胞）、从单细胞到多细胞
•• 22）、从二胚层到三胚层）、从二胚层到三胚层
•• 33）、从无脊椎到有脊椎）、从无脊椎到有脊椎
•• 44）、从水生到陆生）、从水生到陆生
无脊椎动物无脊椎动物 脊椎动物脊椎动物
哺乳动物哺乳动物 灵长类动物灵长类动物
猿猴类动物猿猴类动物 人类人类
动
物
进
化
一
览
表
鸟类起源于恐龙
26
27
四、人类的产生与发展
• 11、人类的起源、人类的起源
•• 人类起源于动物人类起源于动物
界。大约在界。大约在23002300万年万年
至至18001800万年前。在热万年前。在热
带雨林地区和广阔的带雨林地区和广阔的
草原上，有一种古代草原上，有一种古代
灵长类动物灵长类动物────森林森林
古猿活跃在那里，它古猿活跃在那里，它
们是人类最早的祖先。们是人类最早的祖先。
而后来的腊玛古猿和而后来的腊玛古猿和
南方古猿是演化到人南方古猿是演化到人
类的过渡阶段。类的过渡阶段。
28
• 腊玛古猿：腊玛古猿：
腊玛古猿大约生活在腊玛古猿大约生活在14001400万万—800—800万年前，万年前，
身高仅身高仅11米多一点，体重在米多一点，体重在15—2015—20公斤左右。公斤左右。
• 腊玛古猿的地位：腊玛古猿的地位：
现代人类现代人类
现代猿类现代猿类
南方古猿南方古猿
腊玛古猿腊玛古猿
森林古猿森林古猿
29
•• 南方古猿：南方古猿：
•• 南方古猿大约生活在距今南方古猿大约生活在距今500500万万—100—100万年以前。我万年以前。我
们人类就是由南方古猿的一支演化而来的。大约们人类就是由南方古猿的一支演化而来的。大约200200万万
—300—300万年前，南方古猿的一支脱离了古猿类，朝着人万年前，南方古猿的一支脱离了古猿类，朝着人
类的方向演化。类的方向演化。
•• 南方古猿的地位：南方古猿的地位：
关于南方古猿在人科进化中扮演的角色关于南方古猿在人科进化中扮演的角色,,有三种不有三种不
同的观点，如下图所示：同的观点，如下图所示：
30
22、人类的发展、人类的发展
• 可以把史前人类的发展粗可以把史前人类的发展粗
略地分为四个阶段：略地分为四个阶段：
• （（11）、能人阶段）、能人阶段
约在约在200200万年前出现在非洲，万年前出现在非洲，
身高大约身高大约150150公分左右，以树上的公分左右，以树上的
浆果为食，也会找寻兽尸或捕猎浆果为食，也会找寻兽尸或捕猎
一些小动物。一些小动物。
• （（22）、直立人阶段）、直立人阶段
约约200200万年（或万年（或150150万年）开始到万年）开始到4040万年期间，其身万年期间，其身
高、体型和现代人差不多。已经开始技术性狩猎，并已高、体型和现代人差不多。已经开始技术性狩猎，并已
经知道用火。经知道用火。
东非猿人
31
北京人
32
• （（33）、早期智人（古人）阶段）、早期智人（古人）阶段
大约大约2020万一万一55万年前。特征是脑量进一步增大，已万年前。特征是脑量进一步增大，已
经达到现代人的水平，脑结构比猿人复杂得多，其打制经达到现代人的水平，脑结构比猿人复杂得多，其打制
的石器也比猿人规整，有石球和各种尖状的石器，能人的石器也比猿人规整，有石球和各种尖状的石器，能人
工生火，开始有埋葬的习俗，已经开始穿所谓的衣服，工生火，开始有埋葬的习俗，已经开始穿所谓的衣服，
不再是赤身裸体。不再是赤身裸体。
尼人的葬礼
尼安德特人 33
大荔人（陕西） 马坝人（广东）
34
•• （（44）、）、晚期智人（新人）晚期智人（新人）阶段阶段
大约开始于大约开始于55万年以前，新人在体态上与现代人几万年以前，新人在体态上与现代人几
乎没有什么区别，其打制的石器相当精致，器形多样，乎没有什么区别，其打制的石器相当精致，器形多样，
各种石器在使用上已有分工，并且出现了骨器和角器。各种石器在使用上已有分工，并且出现了骨器和角器。
新人甚至已会制造装饰品，进行绘画、雕刻等艺术活动。新人甚至已会制造装饰品，进行绘画、雕刻等艺术活动。
此后，人类便进入了现代人的发展阶段。此后，人类便进入了现代人的发展阶段。
克罗马农人 35
山顶洞人
柳江人（广西） 资阳人（四川） 36
人种的差异:
多数人类学家现在将全世界人类分作蒙古人种（黄色人
种）、欧罗巴人种(白色人种)和尼格鲁人种(又称尼格罗-澳
大利亚人种、赤道人种，即黑色人种）三大人种。也有人认
为应当分为黄色人种、白色人种 、黑色人种、棕色人种（从
黑色人种中划分出来）四大人种。
37
自然界演化的方向
自然界任何物质系统都要经历产生、
发展、衰落、灭亡的历史过程。所有这
些演化均可以归为两大类：进化与退化。
一般认为：进化对物质世界更具有
积极意义，而人类最早精确认识并深入
研究的演化现象却是退化。
38
进化与退化
• 退化:
–是是指指物物质质系系统统由由有有序序向向无无序序、、由由高高序序向向低低序序
的的演演化化过过程程和和趋趋势势。。退退化化的的理理论论根根据据就就是是热热
力力学学第第二二定定律律。。这这一一定定律律指指出出，，在在一一个个孤孤立立
系系统统中中，，任任何何物物理理过过程程或或化化学学过过程程总总是是导导致致
熵熵的的增增加加，，系系统统最最终终达达到到一一个个具具有有极极大大熵熵值值
的的平平衡衡态态，，而而且且这这种种熵熵增增过过程程是是一一个个不不可可逆逆
的的自自发发过过程程。。可可见见，，退退化化过过程程就就是是熵熵增增过过程程。。
克劳修斯的克劳修斯的热寂说热寂说。。
39
进化与退化
• 进化:
–进化是指物质系统由无序到有序、由低序到进化是指物质系统由无序到有序、由低序到
高序的演化过程和趋势。进化的根据则是生高序的演化过程和趋势。进化的根据则是生
物进化论与自组织理论。根据物进化论与自组织理论。根据自组织理论自组织理论，，
一个系统具备以下条件就会进入有序状态。一个系统具备以下条件就会进入有序状态。
•• 必须是一个开放系统；必须是一个开放系统；
•• 必须处于远离平衡的状态；必须处于远离平衡的状态；
•• 各要素之间存在着非线性的相互作用；各要素之间存在着非线性的相互作用；
•• 涨落和突变是产生有序状态的条件。涨落和突变是产生有序状态的条件。
40
进化与退化的关系
• 进化和退化是自然界中广为存在的两种
趋势和过程。当代科学研究表明，进化
与退化是不可分割、辩证统一的。
–进化与退化相互包含；进化与退化相互包含；
–进化与退化互为条件；进化与退化互为条件；
–通过引进负熵和正反馈循环通过引进负熵和正反馈循环
–进化与退化依据一定条件以互相转化。进化与退化依据一定条件以互相转化。
41
有序与无序的
• 熵增原理指出世界无序增加的一面；自
组织理论指出，物质系统除了熵增的一
面，同样也存在熵减的一面。既存在着
无序增加的退化，同时也存在着有序增
加的进化。
–– 地球作地球作为为一个一个开开放系放系统统，与外界不断，与外界不断进进行物行物质质和能和能
量的交量的交换换，本身也有一定的自，本身也有一定的自净净能力。特能力。特别别是地球是地球
是人是人类类活活动动的的场场所，人所，人类类可以根据自己的生存需要可以根据自己的生存需要
有目的地利用和改造自然有目的地利用和改造自然环环境，境，实现实现自然、社会的自然、社会的
可持可持续发续发展。因此，即使按照展。因此，即使按照熵熵增原理，地球也不增原理，地球也不
会越来越走向无序。会越来越走向无序。 42
自然界演化的规律性
• 矛盾是自然界运动与演化的根本动力矛盾是自然界运动与演化的根本动力
–– 吸引和排斥的矛盾是非生命世界运动发展的动力；吸引和排斥的矛盾是非生命世界运动发展的动力；
–– 生物和环境的相互作用是生物进化的动力。生物和环境的相互作用是生物进化的动力。
• 渐变与突变是自然界演化发展的基本方式渐变与突变是自然界演化发展的基本方式
• 自然界运动转化的守恒性自然界运动转化的守恒性
–– 各种运动形式之间的转化；各种运动形式之间的转化；
–– 量上的守恒；量上的守恒；
–– 质上的守恒。质上的守恒。
• 自然界演化的周期性自然界演化的周期性
43
结语
有关研究终将揭示弥散的物质和能量
重新聚集起来的途径，从而从根本上揭
示自然界的演化不但存在周期性，而且
存在无限循环的可能。如恩格斯指出，
当自然科学的发展水平难以解决这个问
题的时候，必须借助哲学思维的帮助才
能使自己的自然观成为一个和谐的整体。
如果我们从质的不灭性方面来理解物质
不灭原理和运动不灭原理，自然界的演
化图景就只能是周期性的无限循环发展。
44
1028 K
10-35 s
1012 K
10-6 s
1011 K
10-2 s
1s
108 K
3 分钟以后
3×103 K
100万年 10亿年
100亿年 101亿年 120亿年 138亿年 140亿年
109 K
4s以后
爆涨 强子时代
轻子时代 中子14％
质子86％
遗留大量的
中子和质子
核合成 退耦代 星系、恒星
开始形成
银河系、太
阳系形成
始生代 原生代 中生代 智人
基本粒子形成阶段
核合成阶段
实物阶段
温度 ∞
时间 0
1032 K
10-43 s
奇点 真空场
●
45
• 宇宙的未来：宇宙的未来：
•• 宇宙临界密度的估计值是：宇宙临界密度的估计值是： ρρ
cc
==××10-27-27㎏㎏/m/m3 3
•• 若若ρρ＞＞ρρ
c c
；；震荡式或脉动式宇宙。震荡式或脉动式宇宙。
•• 若若ρ≤ρρ≤ρ
c c
；；开放式宇宙开放式宇宙
… 46
宇宙和天体的起源和演化
• 多普勒效应：
–光源远离我们时，光谱线会红移（波长变长，光源远离我们时，光谱线会红移（波长变长，
频率变小，能量变小），反之紫移（波长变频率变小，能量变小），反之紫移（波长变
短，频率变大，能量变大）。这一效应在天短，频率变大，能量变大）。这一效应在天
文学上应用很广泛，是测量天体运动速度的文学上应用很广泛，是测量天体运动速度的
手段。手段。
47
宇宙和天体的起源和演化
• 宇宙膨胀
–19291929年，美国天文学家，埃德温年，美国天文学家，埃德温··哈勃作出哈勃作出
了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往
哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们
而去，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早而去，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早
先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在
大约大约100100亿至亿至200200亿年之前的某一时刻，它们亿年之前的某一时刻，它们
刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在
一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。
48
宇宙和天体的起源和演化
• 哈勃常数
–哈勃哈勃通过测量星云的光谱红移计算它们的速通过测量星云的光谱红移计算它们的速
率，并于２０年代末提出了著名的哈勃常数。率，并于２０年代末提出了著名的哈勃常数。
哈勃常数的速率就是星系的速度同距离的比哈勃常数的速率就是星系的速度同距离的比
值；星云与地球的距离越远，其远离速度越值；星云与地球的距离越远，其远离速度越
高。随着对宇宙的探测范围越来越广，哈勃高。随着对宇宙的探测范围越来越广，哈勃
获得了一项更大的发现：所有的星系都在远获得了一项更大的发现：所有的星系都在远
离我们而去。宇宙在日益膨胀，似乎是在曾离我们而去。宇宙在日益膨胀，似乎是在曾
经是高度集中的基础上彼此分离而去（膨胀经是高度集中的基础上彼此分离而去（膨胀
理论）。理论）。
49
宇宙和天体的起源和演化
• 爱因斯坦的遗憾
–当时天文学家普遍认为宇宙是静止的。因此，当时天文学家普遍认为宇宙是静止的。因此，
当爱因斯坦提出广义相对论假设的时候，为当爱因斯坦提出广义相对论假设的时候，为
了回避争论，他在自己的理论中加进了宇宙了回避争论，他在自己的理论中加进了宇宙
静止论，尽管其理论本身也表明宇宙必须是静止论，尽管其理论本身也表明宇宙必须是
日益膨胀或收缩的。日益膨胀或收缩的。19311931年，爱因斯坦在威年，爱因斯坦在威
尔逊山天文台参观的时候紧紧握住哈勃的手，尔逊山天文台参观的时候紧紧握住哈勃的手，
承认他犯了一生中最大的错误。承认他犯了一生中最大的错误。
50
宇宙和天体的起源和演化
• 哈勃的遗憾
–哈勃在天文学研究方面取得的巨大成就，使哈勃在天文学研究方面取得的巨大成就，使
他获许多荣誉，甚至连罗马教皇庇护他获许多荣誉，甚至连罗马教皇庇护1212世也世也
对他的成就给予高度评价。哈勃渴望能获得对他的成就给予高度评价。哈勃渴望能获得
诺贝尔奖，终因该奖未设天文学奖项而未能诺贝尔奖，终因该奖未设天文学奖项而未能
如愿。在他如愿。在他19531953年逝世的时候，诺贝尔评奖年逝世的时候，诺贝尔评奖
委员会正考虑授予他诺贝尔物理学奖。人们委员会正考虑授予他诺贝尔物理学奖。人们
在他逝世以后授予他多种荣誉，其中包括在他逝世以后授予他多种荣誉，其中包括
19901990年发射的以他的名字命名的哈勃大空天年发射的以他的名字命名的哈勃大空天
文望远镜。文望远镜。 51
““哈勃哈勃””
太空望远镜太空望远镜
哈勃望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜。它上面
的广角行星相机可拍摄到几十到上百个恒星照片，其清晰度是地
面天文望远镜的10倍以上，其观测能力等于从华盛顿看到万千
米外悉尼的一只萤火虫。
哈勃望远镜长米，直径米，重吨，造价近30亿美元，
于1990年4月25日由美国航天飞机送上高590千米的太空轨道。
52
伽莫夫的大爆炸假说
• 宇宙微波背景辐射预言
19481948年科学家伽莫夫在一篇和拉夫年科学家伽莫夫在一篇和拉夫··阿尔法合阿尔法合
作的论文中作出惊人的预言，宇宙形成早期阶作的论文中作出惊人的预言，宇宙形成早期阶
段的辐射迄今还应该留在周围。段的辐射迄今还应该留在周围。就是说，我们就是说，我们
的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，
其温度约为其温度约为6K6K。正如一个火炉虽然不再有火了，。正如一个火炉虽然不再有火了，
还可以冒一点热气。还可以冒一点热气。
53
伽莫夫的大爆炸假说
• 宇宙微波背景辐射证实
19641964年，美国贝尔电话公司的工程师彭齐亚斯和威年，美国贝尔电话公司的工程师彭齐亚斯和威
尔逊，在调试他们那巨大的喇叭形天线时，出乎尔逊，在调试他们那巨大的喇叭形天线时，出乎
意料地接收到一种无线电干扰噪声，各个方向上意料地接收到一种无线电干扰噪声，各个方向上
信号的强度都一样，而且历时数月而无边化。难信号的强度都一样，而且历时数月而无边化。难
道是仪器本生有毛病吗？或者是栖息在天线上的道是仪器本生有毛病吗？或者是栖息在天线上的
鸽子引起的？他们把天线拆开重新组装，依然接鸽子引起的？他们把天线拆开重新组装，依然接
收到那种无法解释的噪声。这种噪声不是来自人收到那种无法解释的噪声。这种噪声不是来自人
造卫星，也不可能来自太阳、银河系或某个河外造卫星，也不可能来自太阳、银河系或某个河外
星系射电源，因为在转动天线时，噪声强度始终星系射电源，因为在转动天线时，噪声强度始终
不变。后来，经过进一步测量和计算。得出辐射不变。后来，经过进一步测量和计算。得出辐射
温度是温度是，一般称之为，一般称之为3K3K宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射。
54
伽莫夫的大爆炸假说
• 3K宇宙微波背景辐射发现的意义
因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与理论因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与理论
预言的温度如此接近，正是对宇宙大爆炸论的预言的温度如此接近，正是对宇宙大爆炸论的
一个非常有力的支持！这是继一个非常有力的支持！这是继19291929年哈勃发现年哈勃发现
星系谱线红移后的又一个重大的天文发现。宇星系谱线红移后的又一个重大的天文发现。宇
宙微波背景辐射的发现，为观测宇宙开辟了一宙微波背景辐射的发现，为观测宇宙开辟了一
个新领域，也为各种宇宙模型提供了一个新的个新领域，也为各种宇宙模型提供了一个新的
观测约束，它因此被列为观测约束，它因此被列为2020世纪世纪6060年代天文学年代天文学
四大发现之一。彭齐亚斯和威尔逊于四大发现之一。彭齐亚斯和威尔逊于19781978年获年获
得了诺贝尔物理学奖。瑞典科学院在颁奖决定得了诺贝尔物理学奖。瑞典科学院在颁奖决定
中指出：这一发现，使我们能够获得很久以前中指出：这一发现，使我们能够获得很久以前
宇宙创生时期所发生的宇宙过程的信息。宇宙创生时期所发生的宇宙过程的信息。
55
恒星的起源与演化：恒星的起源与演化：
原始星云原始星云→→原恒星原恒星→→恒星恒星
引力收缩
约1万度，开始
发光。8×105 K
，氢燃烧生成氦。
8×106 K ，稳定。
主序星
稳定阶段，
氢燃烧生
成氦。
红巨星
较重的元
素形成。
高密恒星
白矮星（M＜ M
⊙
）
弥漫状星云
超新星爆炸 中子星（ M
⊙
＜M＜ M
⊙
）
黑洞（M＞ M
⊙
）
中子星和白矮星→红矮星→黑矮星 …56
肽键
氨基酸
蛋白质的形成：蛋白质的形成：
57
…
DNADNA的结构：的结构：
A：腺嘌呤；G：鸟嘌呤；C：胞嘧啶；T：胸腺嘧啶
58
热力学第一定律
• 热力学第一定律
–即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能
无形消失，自然界中能量可以从一种形式转无形消失，自然界中能量可以从一种形式转
化为另一种形式，总能量不变。违背热力学化为另一种形式，总能量不变。违背热力学
第一定律的过程都不可能发生，第一类永动第一定律的过程都不可能发生，第一类永动
机是不能造成的。机是不能造成的。
高温
物体
低温
物体
Q
不会自动发生
高温
物体
低温
物体
Q
会自动发生 59
热力学第一定律
• 热力学第一定律
–即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能
无形消失，自然界中能量可以从一种形式转无形消失，自然界中能量可以从一种形式转
化为另一种形式，总能量不变。违背热力学化为另一种形式，总能量不变。违背热力学
第一定律的过程都不可能发生，第一类永动第一定律的过程都不可能发生，第一类永动
机是不能造成的。机是不能造成的。
气体自
由膨胀
会自动发生
气体自
动收缩
不会自动发生 60
热力学第一定律
• 热力学第一定律
–即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能即能量守恒定律能量不能无中生有，也不能
无形消失，自然界中能量可以从一种形式转无形消失，自然界中能量可以从一种形式转
化为另一种形式，总能量不变。违背热力学化为另一种形式，总能量不变。违背热力学
第一定律的过程都不可能发生，第一类永动第一定律的过程都不可能发生，第一类永动
机是不能造成的。机是不能造成的。
功转变
成热量
会自动发生
热量自行
转变成功
不会自动发生 61
第一类永动机
魔轮:右侧重垂在重力作用下远离转
动轴，力矩随之增大，驱动魔轮转
动，但由于左侧重垂数量更多，平
衡了系统力矩，永动无法实现。
上世纪20年代德国的一张明信片，拿爱
因斯坦开玩笑。
62
可逆与不可逆过程
• 可逆过程可逆过程
一个热力学系统由某一一个热力学系统由某一
初态出发，经过某一过初态出发，经过某一过
程到达末态后，如果还程到达末态后，如果还
存在另一过程，它能使存在另一过程，它能使
系统和外界完全复原系统和外界完全复原
（（即系统回到初态，又即系统回到初态，又
同时消除了原过程对外同时消除了原过程对外
界引起的一切影响界引起的一切影响），），
则原过程称为可逆过程。则原过程称为可逆过程。
可逆过程是一种理想过可逆过程是一种理想过
程。程。
• 不可逆过程不可逆过程
一个热力学系统由某一一个热力学系统由某一
初态出发，经过某一过初态出发，经过某一过
程到达末态后，如果不程到达末态后，如果不
存在另一过程，它能使存在另一过程，它能使
系统和外界完全复原，系统和外界完全复原，
则原过程称为不可逆过则原过程称为不可逆过
程。程。自然界的一切过程自然界的一切过程
都是不可逆的。都是不可逆的。
63
热力学第二定律
• 热力学第二定律
–不可能将热量从低温物体传到高温物体而不不可能将热量从低温物体传到高温物体而不
引起其它变化，即热量不会自动地从低温物引起其它变化，即热量不会自动地从低温物
体传到高温物体。第二类永动机也是不可造体传到高温物体。第二类永动机也是不可造
成的。成的。
64
第二类永动机
高温热源
低温热源
假
想
的
自
动
传
热
装
置
卡诺热机
等价于
高温热源
低温热源
65
热力学第二定律的统计意义
• 以气体的自由膨胀为以气体的自由膨胀为
例例
•• 孤立容器用隔板分成孤立容器用隔板分成ABAB两格，两格，
AA中四个理想气体分子，即中四个理想气体分子，即
N=4N=4，微观上可分，宏观上不，微观上可分，宏观上不
可分。可分。BB中真空。中真空。
•• 取消隔板，气体自由膨取消隔板，气体自由膨
胀胀，每一个分子有两种，每一个分子有两种
可能的等概率微观分布可能的等概率微观分布
状态（在状态（在AA或或BB），），即：即：
n=2n=2
•• 四个可区分的分子出现四个可区分的分子出现
在在AA、、BB两半的可能分布两半的可能分布
方式，即系统的微观分方式，即系统的微观分
布状态总数目是各分子布状态总数目是各分子
微观态数目的乘积：微观态数目的乘积：即：即：
nnNN=16=16
• 具体分析如下表：具体分析如下表：
隔
板
66
A B A B
6
1
4
4
1
1/16
4/16
4/16
1/16
6/16
共 16 种微观态 5 种宏观态 67
热力学第二定律的统计意义
• 由上分析可知，四个由上分析可知，四个
分子全部集中到分子全部集中到AA或或BB
的概率最小。那么我的概率最小。那么我
们可以分如果有们可以分如果有1mol1mol
分子，那么全部集中分子，那么全部集中
于于AA或或BB的概率是多少。的概率是多少。
概率这样小的事件在概率这样小的事件在
宇宙中是事会出现。宇宙中是事会出现。
68
热力学第二定律的统计意义
• 热力学概率
–一个宏观态对应的微观态数目称为该宏观态一个宏观态对应的微观态数目称为该宏观态
的热力学概率的热力学概率ΩΩ。某宏。某宏观态观态出出现现的概率的概率为为：：
P= P= ΩΩ/n/nNN
–– 气体自由膨胀的不可逆性，从统计观点解释就是一气体自由膨胀的不可逆性，从统计观点解释就是一
个不受外界影响的理想气体系统，其内部所发生的个不受外界影响的理想气体系统，其内部所发生的
过程总是向着过程总是向着PP大或是大或是ΩΩ大的方向大的方向进进行行
69
热力学第二定律的统计意义
• 热力学第二定律的统计意义
–一切孤立系统内部所发生的过程，总
是由概率小（包含微观态数目少）的
宏观态向概率大（包含微观态数目多）
的宏观态方向进行的。
70
熵
• 熵的微观表达式
– 玻耳兹曼公式玻耳兹曼公式 S=klnS=kln
– 表示表示系统处于某一宏观态的热力学概率系统处于某一宏观态的热力学概率
– SS是系统是系统处于该宏观态时的熵处于该宏观态时的熵
– kk玻耳兹曼常量玻耳兹曼常量
–玻耳兹曼熵公式玻耳兹曼熵公式 可以求出系统任一宏观态可以求出系统任一宏观态
（不管是否是平衡态）的熵；（不管是否是平衡态）的熵；
71
熵
• 熵的宏观表达式
–克劳修斯熵公式克劳修斯熵公式
–熵变计算：熵变计算：
–关于熵值关于熵值
•• ds≥0ds≥0
•• 不可逆过程取不可逆过程取““>”>”
•• 可逆过程取可逆过程取““=”=”
–克劳修斯熵公式克劳修斯熵公式 只对系统的平衡态才有意义；只对系统的平衡态才有意义；
克劳修斯熵是玻耳兹曼克劳修斯熵是玻耳兹曼熵的熵的最大值。最大值。 72
墒增原理
• 熵是反映一个系统宏观态所具有的微观态数目，熵是反映一个系统宏观态所具有的微观态数目，
它与热力学几率的对数成正比，由于热力学几它与热力学几率的对数成正比，由于热力学几
率愈大表示系统处于愈混乱的状态，所以率愈大表示系统处于愈混乱的状态，所以熵是熵是
系统无序的量度。系统无序的量度。
• 孤立系统孤立系统与外界无物质和能量交换，与外界无物质和能量交换，因而，系因而，系
统从一个平衡态经一绝热过程到达另一平衡态，统从一个平衡态经一绝热过程到达另一平衡态，
它的熵永不减少。如果过程是可逆的，则熵的它的熵永不减少。如果过程是可逆的，则熵的
数值不变；如果过程是不可逆的，则熵的数值数值不变；如果过程是不可逆的，则熵的数值
增加。增加。
73
宇宙热寂说
• 1867年，克劳修斯《关于热力学第二定
律》一文把熵增原理推广到整个宇宙，
指出整个宇宙中的热运动，必然遵循熵
增原理，宇宙中的熵总是只增不减，随
着时间的推移，总有一天会达到最大值，
到那时，宇宙中的一切变化都不会发生，
就会进入一个死寂的永恒状态。此即所
谓的宇宙热寂说。
74
熵的哲学理解
• 熵的增加是能量退化的量度
–– 退化的能量是与熵成正比的；热源温度愈高它所输出的热能退化的能量是与熵成正比的；热源温度愈高它所输出的热能
转变为功的潜力就愈大，即较高温度的热能有较高的品质。转变为功的潜力就愈大，即较高温度的热能有较高的品质。
当热量从高温热源不可逆的传到低温热源时，尽管能量在数当热量从高温热源不可逆的传到低温热源时，尽管能量在数
量上守恒，但能量品质降低。一切不可逆过程实际上都是能量上守恒，但能量品质降低。一切不可逆过程实际上都是能
量品质降低的过程，热力学第二定律提供了估计能量品质的量品质降低的过程，热力学第二定律提供了估计能量品质的
方法。方法。
–– 自然界的实际过程都是不可逆过程，即熵增加的过程，大量自然界的实际过程都是不可逆过程，即熵增加的过程，大量
能源的使用加速了这一过程。而熵的增加导致了世界混乱度能源的使用加速了这一过程。而熵的增加导致了世界混乱度
的增加。每利用一份能量，就会得到一定的惩罚的增加。每利用一份能量，就会得到一定的惩罚————把一部把一部
分本来可以利用的能量变为退化的能量；可以证明：退化的分本来可以利用的能量变为退化的能量；可以证明：退化的
能量实际上就是环境污染的代名词。节约能源就是保护环境。能量实际上就是环境污染的代名词。节约能源就是保护环境。
而保护环境就是保护人类的生存条件，非同小可。而保护环境就是保护人类的生存条件，非同小可。
75
熵的哲学理解
• 熵是事物无序度的量度
–熵与微观状态的对数成正比的，微观状态数熵与微观状态的对数成正比的，微观状态数
越大，混乱度就越大。相反熵减小则有序度越大，混乱度就越大。相反熵减小则有序度
增加。以一个增加。以一个NN个分子的物质系统为例：让个分子的物质系统为例：让
其冷却，放出热量，先是碰撞次数减少，引其冷却，放出热量，先是碰撞次数减少，引
起混乱的平均速率减小。继而变为液体时这起混乱的平均速率减小。继而变为液体时这
时分子以振动为主，平动为辅，位置相对固时分子以振动为主，平动为辅，位置相对固
定，有序度增加，温度再降低时，分子在平定，有序度增加，温度再降低时，分子在平
衡位置附近振动更加序。事实上平衡态是最衡位置附近振动更加序。事实上平衡态是最
无序。无序。 76
熵与耗散结构
•• 无机界、无生命的世界总是从有序向无序变化，但生无机界、无生命的世界总是从有序向无序变化，但生
命现象却越来越有序，生物由低级向高级发展、进化。命现象却越来越有序，生物由低级向高级发展、进化。
以致出现人类这样高度有序的生物。以致出现人类这样高度有序的生物。
•• 意大利科学家普里高津提出了耗散结构理论，解释了意大利科学家普里高津提出了耗散结构理论，解释了
这个问题。原来生命是一开放系统。其熵变由两部分这个问题。原来生命是一开放系统。其熵变由两部分
组成，开放系统组成，开放系统------与外界有物质和能量的交换的系统与外界有物质和能量的交换的系统
系统自身产生的熵，总为正值。与外界交换的熵流，系统自身产生的熵，总为正值。与外界交换的熵流，
其值可正可负。当系统远离平衡态时系统不断消耗能其值可正可负。当系统远离平衡态时系统不断消耗能
源与物质，从熵流中获取负熵，从而使系统在较高层源与物质，从熵流中获取负熵，从而使系统在较高层
次保持有序。次保持有序。
•• 薛定谔指出来的：薛定谔指出来的：““生命之所以免于死亡，其主要原生命之所以免于死亡，其主要原
因就在于他能不断地获得负熵因就在于他能不断地获得负熵””。。 77
自组织理论
•• 统科学理论包括统科学理论包括
––““老三论老三论””：信息论、系统论、控制论；：信息论、系统论、控制论；
––““新三论新三论””：耗散结构论、协同论、突变论；：耗散结构论、协同论、突变论；
•• 自组织理论：自组织理论：
–– 2020世纪世纪7070年代以后兴起，研究自然物质系统演化过程中普遍存在的年代以后兴起，研究自然物质系统演化过程中普遍存在的
无序状态和有序状态相互转化的机制和条件问题。研究一个混乱无无序状态和有序状态相互转化的机制和条件问题。研究一个混乱无
序的系统，在什么条件下，通过什么样的方式，会形成有序状态。序的系统，在什么条件下，通过什么样的方式，会形成有序状态。
•• 自组织理论是一个学科群：自组织理论是一个学科群：
––耗散结构理论（比利时化学家普利高津，耗散结构理论（比利时化学家普利高津，19771977年诺贝尔化学年诺贝尔化学
奖）；奖）；
––协同学（德国物理学家哈肯）；协同学（德国物理学家哈肯）；
––混沌理论、超循环理论（混沌理论、超循环理论（德国科学家德国科学家艾根）；艾根）；
––突变论（法国数学家托姆突变论（法国数学家托姆 ）。）。 78
耗散结构理论
• 耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非
线性的开放系统线性的开放系统((物理、化学、生物、社会、物理、化学、生物、社会、
经济系统经济系统))通过不断与外界交换物质和能量，通过不断与外界交换物质和能量，
在系统内部某个参量的变化达到一定阈值时，在系统内部某个参量的变化达到一定阈值时，
通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，
由原来的混沌无序状态转变为一种在时间、空由原来的混沌无序状态转变为一种在时间、空
间或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非间或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非
线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，需要线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，需要
不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称
为为““耗散结构耗散结构””(dissipative structure)(dissipative structure)。。
79
协同学
• 哈肯认为协同学是一门横断学科，它研究系统哈肯认为协同学是一门横断学科，它研究系统
中子系统之间是怎样合作产生宏观的空间结构、中子系统之间是怎样合作产生宏观的空间结构、
时间结构或功能结构的。实际上，这里指的宏时间结构或功能结构的。实际上，这里指的宏
观的结构就是通常所说的自组织，即协同学研观的结构就是通常所说的自组织，即协同学研
究的是系统中的子系统怎样通过协同使系统从究的是系统中的子系统怎样通过协同使系统从
无序达到有序，或从一种有序达到另一种有序。无序达到有序，或从一种有序达到另一种有序。
什么是什么是““协同协同””呢？协同就是呢？协同就是““合作、竞争合作、竞争””
，这样哈肯引入了两个基本概念：从合作引入，这样哈肯引入了两个基本概念：从合作引入
序参量，从竞争引入支配原理。序参量，从竞争引入支配原理。
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突变论
• 1972年，法国数学家托姆(Rene Thom)提
出突变论。突变理论从量的角度研究各
种事物的不连续的变化的，并试图用统
一的数学模型描述它们。突变论以结构
稳定性为基础，通过对系统稳定性的研
究，说明系统的稳态与非稳态，渐变与
突变的特征及其相互关系，揭示系统状
态演变的内部因素与外界条件。
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混沌学
• 混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不
规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行
为却表现为不确定性一不可重复、不可预测，为却表现为不确定性一不可重复、不可预测，
这就是混沌现象。进一步研究表明，混沌是非这就是混沌现象。进一步研究表明，混沌是非
线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍
存在的现象。牛顿确定性理论能够充美处理的存在的现象。牛顿确定性理论能够充美处理的
多为线性系统，而线性系统大多是由非线性系多为线性系统，而线性系统大多是由非线性系
统简化来的。因此，在现实生活和实际工程技统简化来的。因此，在现实生活和实际工程技
术问题中，混沌是无处不在的。术问题中，混沌是无处不在的。
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混沌学
•• 19601960年，美国麻省理工学院教授洛伦兹研究年，美国麻省理工学院教授洛伦兹研究““长期天长期天
气预报气预报””问题时，在计算机上用一组简化模型模拟天问题时，在计算机上用一组简化模型模拟天
气的演变。他原本的意图是利用计算机的高速运算来气的演变。他原本的意图是利用计算机的高速运算来
提高技期天气预报的准确性。但是，事与愿违，多次提高技期天气预报的准确性。但是，事与愿违，多次
计算表明，初始条件的极微小差异，均会导致计算结计算表明，初始条件的极微小差异，均会导致计算结
果的很大不同。果的很大不同。 由于气候变化是十分复杂的，所以在由于气候变化是十分复杂的，所以在
预测天气时，输入的初始条件不可能包含所有的影响预测天气时，输入的初始条件不可能包含所有的影响
因素（通常的简化方法是忽略次要因素，保留主要因因素（通常的简化方法是忽略次要因素，保留主要因
素），而那些被忽略的次要因素却可能对预报结果产素），而那些被忽略的次要因素却可能对预报结果产
生重大影响，导致错误的结论。由此，洛伦兹认定，生重大影响，导致错误的结论。由此，洛伦兹认定，
尽管拥有高速计算机和精确的测量数据（温度、风速、尽管拥有高速计算机和精确的测量数据（温度、风速、
气压等），也难以获得准确的长期天气预报。气压等），也难以获得准确的长期天气预报。 83
混沌学之蝴蝶效应
•• 洛伦兹用一种形象的比喻来表达他的这个发现：一只洛伦兹用一种形象的比喻来表达他的这个发现：一只
小小的蝴蝶在巴西上空煽动翅膀，可能在一个月后的小小的蝴蝶在巴西上空煽动翅膀，可能在一个月后的
美国得克萨斯州会引起一场风暴。这就是混沌学中著美国得克萨斯州会引起一场风暴。这就是混沌学中著
名的名的““蝴蝶效应蝴蝶效应””，也是最早发现的混沌现象之一。，也是最早发现的混沌现象之一。
•• 洛伦兹蝴蝶效应现象，是指事物发展的结果对初始条洛伦兹蝴蝶效应现象，是指事物发展的结果对初始条
件具有极为敏感的依赖性。初始条件极小的偏差将会件具有极为敏感的依赖性。初始条件极小的偏差将会
引起结果的巨大差异。在政治、经济、军事、自然、引起结果的巨大差异。在政治、经济、军事、自然、
社会等诸多领域均有洛伦兹蝴蝶效应发生，而且这种社会等诸多领域均有洛伦兹蝴蝶效应发生，而且这种
现象对世界具有极大的影响效果。金融炒家索洛斯引现象对世界具有极大的影响效果。金融炒家索洛斯引
发的东亚金融危机，和白宫实习生莱温斯基引发的克发的东亚金融危机，和白宫实习生莱温斯基引发的克
林顿绯闻案，就是两个最典型的例证。林顿绯闻案，就是两个最典型的例证。
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