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1、第二讲自然界的存在与演化第二讲自然界的存在与演化本讲稿第一页，共八十一页(一)物质形态的差异性与多样性 自然界的物质不仅具有客观实自然界的物质不仅具有客观实在性和统一性，而且其形态是千在性和统一性，而且其形态是千姿百态、无限多样的，同时，这姿百态、无限多样的，同时，这种物质形态的差异性和多样性也种物质形态的差异性和多样性也是其统一性的前提条件。是其统一性的前提条件。第第1节、自然的存在节、自然的存在本讲稿第二页，共八十一页 1、根据能否自我新陈代谢和遗传变异据此可以把自然界中各种各据此可以把自然界中各种各样的物质形态划分为：样的物质形态划分为：非生命非生命世界世界和和生命世界生命世界。本讲稿第
2、三页，共八十一页 (1)非生命世界 1)1)宇宇观观世世界界中中有有：星星云云、行行星星、恒恒星星、星星系系、星星系系团团、超超星星系系团团、类类星星体体、总星系等不同的物质形态。总星系等不同的物质形态。2)2)宏宏观观世世界界包包括括：有有机机物物、无无机机化化合合物物(100(100多万种多万种)、单质等形式。、单质等形式。3)3)微微观观领领域域中中有有：110110多多种种元元素素；400400多多种种基基本本粒粒子子(含含两两大大类类：轻轻子子类类，包包括括光光子子族族和和轻轻子子族族；重重子子类类，包包括括介子族和重子族介子族和重子族)。本讲稿第四页，共八十一页 （2）生命世界 从
3、从生生物物大大分分子子、细细胞胞、微微生生物物到到植植物物、动动物物、生生物物圈圈更更是是五五彩彩缤纷、形态万千。缤纷、形态万千。目目前前，人人们们已已发发现现其其存存在在的的动动物物(含昆虫含昆虫)就有就有150150多万种；多万种；植物植物3030多万种；多万种；微生物微生物8 89 9万种。万种。本讲稿第五页，共八十一页2、依据不同的物质聚集状态 据此自然界的物质形态可以划分为：据此自然界的物质形态可以划分为：固态、液态、气态；固态、液态、气态；等离子态；等离子态；超密态；超密态；真空场真空场 反反物物质质(其其根根据据是是所所有有的的基基本本粒粒子子都都有有反反粒子粒子)。本讲稿第六页
4、，共八十一页(二)自然界的物质统一性 自自然然界界的的物物质质形形态态尽尽管管多多种种多样，各不相同。多样，各不相同。但但不不同同形形态态的的物物质质客客体体又又具具有有统一性。统一性。本讲稿第七页，共八十一页 1、化学元素上的统一性 经经光光谱谱分分析析发发现现宇宇宙宙万万物物在在化化学学元元素素上上具具有统一性：有统一性：其其一一，宇宇观观世世界界都都是是由由在在地地球球上上均均可可找找到到的化学元素所组成；的化学元素所组成；其其二二，无无机机物物与与生生命命物物质质在在化化学学成成分分上上也也有着同一性；有着同一性；最最后后，对对微微观观领领域域物物质质形形态态统统一一性性的的论论证证已
5、已深深入入到到基基本本粒粒子子层层次次，而而且且在在基基本本粒粒子子之间也有着相互转化。之间也有着相互转化。本讲稿第八页，共八十一页2、物质基本形态上的统一性 自然界的物质形态可归结为实物和场两种基本形态，其间存在着统一性。一方面，实物与场之间相互联系，不可分割，有实物存在就有实物之间相互作用的场，任何场都是某种实物之间的相互作用。另一方面，实物与场之间在一定的条件下可以相互转化。如电子和正电子相遇时可“湮灭”而转化为光子，即转化为电磁场；反之，在核子场中光子的能量足够大时，光子也可以转化为正、负电子。本讲稿第九页，共八十一页 3、质能守恒定律 质质量量守守恒恒定定律律和和能能量量守守恒恒与与
6、转转化化定定律律也也是是自自然然界界物质形态统一性的一个有力证据。物质形态统一性的一个有力证据。核核物物理理在在研研究究核核聚聚变变反反应应过过程程中中，发发现现有有“质质量量亏亏损损”的现象。的现象。“质质量量亏亏损损”并并不不是是质质量量真真的的丢丢失失了了，而而是是指指静静止止质质量量的的减减少少，但但与与此此同同时时运运动动质质量量则则相相应应增增加加，或或实实物物状状态态的的物物质质以以能能量量的的形形式式转转化化成成场场状状态态的的物物质质，亏亏损损的的静静止止质质量量转转化化成成场场的的质质量量，所所以以整整个个系系统统的的总质量仍然守恒。这种守恒通常表现为质能守恒。总质量仍然守
7、恒。这种守恒通常表现为质能守恒。本讲稿第十页，共八十一页二、自然界物质系统的整体性 整整个个自自然然界界中中的的各各种种物物质质客客体体，从从微微观观粒粒子子到到宇宇宙宙天天体体，从从生生物物大大分分子子到到整整个个生物圈，无不以系统的方式存在着。生物圈，无不以系统的方式存在着。系系统统是是由由若若干干相相互互联联系系、相相互互作作用用的的诸诸要要素素所所组组成成的的具具有有一一定定结结构构和和功功能能的的有有机机整整体体，是是自自然然界界的的一一种种根根本本属属性性和和存存在在方式。方式。本讲稿第十一页，共八十一页 1、整体性 所谓整体性是指物质系统所具有的不可还原的整体性质，即作为物质系统
8、的整体，出现了它的组成部分所没有的性质或者失去了组成部分所具有的性质。物质系统的“整体”与“堆”有着显著的区别。系统的整体性是系统中整体与部分之间非加和性关系的表征。本讲稿第十二页，共八十一页 2、整体与部分的关系 整体与部分的关系包括：加和性与非加和性关系两种。整体与部分的关系包括：加和性与非加和性关系两种。整体与部分的关系包括：加和性与非加和性关系两种。整体与部分的关系包括：加和性与非加和性关系两种。所所所所谓谓谓谓加加加加和和和和性性性性关关关关系系系系，是是是是指指指指各各各各部部部部分分分分可可可可以以以以用用用用简简简简单单单单相相相相加加加加的的的的办办办办法法法法逐逐逐逐渐渐渐
9、渐建建建建立立立立整整整整体体体体的的的的特特特特性性性性，即整体的特征能够分解为各个要素的特征之和。即整体的特征能够分解为各个要素的特征之和。即整体的特征能够分解为各个要素的特征之和。即整体的特征能够分解为各个要素的特征之和。但但但但由由由由各各各各部部部部分分分分之之之之间间间间的的的的相相相相干干干干性性性性造造造造成成成成的的的的非非非非加加加加和和和和性性性性关关关关系系系系的的的的存存存存在在在在，却却却却使使使使系系系系统统统统出出出出现现现现其其其其组组组组成成成成部分所没有的新属性，使系统与其构成要素之间出现质的差异。部分所没有的新属性，使系统与其构成要素之间出现质的差异。部
10、分所没有的新属性，使系统与其构成要素之间出现质的差异。部分所没有的新属性，使系统与其构成要素之间出现质的差异。相干性是指一种耦合关系。相干性是指一种耦合关系。相干性是指一种耦合关系。相干性是指一种耦合关系。耦合各方经过物质、能量、信息的交换而彼此约束、选择、协同和放大。耦合各方经过物质、能量、信息的交换而彼此约束、选择、协同和放大。耦合各方经过物质、能量、信息的交换而彼此约束、选择、协同和放大。耦合各方经过物质、能量、信息的交换而彼此约束、选择、协同和放大。约束和选择意味着耦合各方原有自由度的减少乃至部分属性的丧失；约束和选择意味着耦合各方原有自由度的减少乃至部分属性的丧失；约束和选择意味着耦
11、合各方原有自由度的减少乃至部分属性的丧失；约束和选择意味着耦合各方原有自由度的减少乃至部分属性的丧失；协协协协同同同同和和和和放放放放大大大大意意意意味味味味着着着着耦耦耦耦合合合合各各各各方方方方在在在在一一一一种种种种新新新新的的的的模模模模式式式式下下下下协协协协调调调调一一一一致致致致地地地地活活活活动动动动，其其其其原原原原有有有有的的的的属属属属性性性性可可可可以以以以被被被被拓拓拓拓宽放大。宽放大。宽放大。宽放大。它们交错重叠在一起，共同导致属性不可分割的整体的形成。它们交错重叠在一起，共同导致属性不可分割的整体的形成。它们交错重叠在一起，共同导致属性不可分割的整体的形成。它们交
12、错重叠在一起，共同导致属性不可分割的整体的形成。本讲稿第十三页，共八十一页 非加和性关系成因例证 在在一一个个原原子子中中，原原子子核核与与电电子子之之间间的的制制约约使使电电子子受受到到时时空空状状态态、随随机机性性、自自由由度度等等方方面面的的约约束束；由由于于约约束束，排排除除了了一一部部分分可可能能的的状状态态，保保留留了了另另一一部部分分可可能能的的状状态态，这这便便意意味味着着选选择择，最最终终使使得得核核与与核核外外电电子子协协同同构构成成原原子子，使使原原子子具具有有了了金金属属性性、非非金金属属性性等等原原子子核核与与核核外外电电子子所所不具有的新属性。不具有的新属性。如如果
13、果整整体体由由于于部部分分的的相相干干性性出出现现新新属属性性，则则整整体体(已已成成为为系统系统)在相关的属性上，便表现出非加和性。在相关的属性上，便表现出非加和性。这这这这种种种种非非非非加加加加和和和和性性性性特特特特征征征征表表表表明明明明，物物物物质质质质系系系系统统统统的的的的整整整整体体体体特特特特性性性性既既既既不不不不能能能能归归归归结结结结为为为为它的组成部分的特性，也不是其组成部分的简单它的组成部分的特性，也不是其组成部分的简单它的组成部分的特性，也不是其组成部分的简单它的组成部分的特性，也不是其组成部分的简单“堆积堆积堆积堆积”。它它它它所所所所反反反反映映映映的的的的
14、是是是是某某某某种种种种具具具具有有有有新新新新质质质质的的的的联联联联系系系系，是是是是标标标标志志志志物物物物质质质质系系系系统统统统具具具具有有有有整整整整体体体体性的一种必不可少的联系方式。性的一种必不可少的联系方式。性的一种必不可少的联系方式。性的一种必不可少的联系方式。本讲稿第十四页，共八十一页三、自然界物质系统的稳定性 物物物物质质质质系系系系统统统统的的的的稳稳稳稳定定定定性性性性是是是是指指指指物物物物质质质质系系系系统统统统在在在在一一一一定定定定环环环环境境境境条条条条件件件件下下下下能能能能够够够够保保保保持持持持某某某某种状态的特性，它体现了物质系统与环境的相互作用关
15、系。种状态的特性，它体现了物质系统与环境的相互作用关系。种状态的特性，它体现了物质系统与环境的相互作用关系。种状态的特性，它体现了物质系统与环境的相互作用关系。依依依依据据据据系系系系统统统统与与与与环环环环境境境境的的的的关关关关系系系系，物物物物质质质质系系系系统统统统可可可可以以以以分分分分为为为为孤孤孤孤立立立立、封封封封闭闭闭闭和和和和开放系统三类。开放系统三类。开放系统三类。开放系统三类。孤立系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换；孤立系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换；孤立系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换；孤立系统与环境之间既无物质交换，又无能量交换；封闭系统与环
16、境之间仅有能量交换，而无物质交换；封闭系统与环境之间仅有能量交换，而无物质交换；封闭系统与环境之间仅有能量交换，而无物质交换；封闭系统与环境之间仅有能量交换，而无物质交换；开放系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换。开放系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换。开放系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换。开放系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换。在这三类系统中，开放系统具有更大的普遍性。在这三类系统中，开放系统具有更大的普遍性。在这三类系统中，开放系统具有更大的普遍性。在这三类系统中，开放系统具有更大的普遍性。本讲稿第十五页，共八十一页 1、系统稳定性的衡量标准 系系统统的的稳稳定定性
17、性可可通通过过涨涨落落衡衡量量。系系统统的的状状态态变变量量对对平平均均值值的的一一定定偏偏离离或或起起伏伏即即涨涨落落。只只有有经经受受涨涨落落后后能能恢恢复复自自身身状状态态的的物物质质系系统统，才才有有存存在在的的可可能能。这这种种对对涨涨落落的的不不变变性就是系统的稳定性。性就是系统的稳定性。然然而而，并并非非系系统统的的每每种种状状态态都都是是稳稳定定的的。按按照照对对涨涨落落的的不不同同反反应应可可以以区区分分出出三三种种状状态：态：恒恒稳稳态态对对涨涨落落保保持持不不变变的的状状态态；亚亚稳稳态态在在一一定定范范围围内内对对涨涨落落保保持持不不变变的的状状态态；不不稳稳定定态态在
18、在涨涨落落下下即即行行消消失失的的状状态。态。本讲稿第十六页，共八十一页 2、系统的稳定性与耗散结构 物质系统的稳定性的产生和耗散结构的存在是密切相关的。物质系统的稳定性的产生和耗散结构的存在是密切相关的。物质系统的稳定性的产生和耗散结构的存在是密切相关的。物质系统的稳定性的产生和耗散结构的存在是密切相关的。一个远离平衡态的开放系统通过不断与外界交换物质与能量，一个远离平衡态的开放系统通过不断与外界交换物质与能量，一个远离平衡态的开放系统通过不断与外界交换物质与能量，一个远离平衡态的开放系统通过不断与外界交换物质与能量，在外界条件的变化达到一定阈值时，可能从原来的无序混乱状在外界条件的变化达到
19、一定阈值时，可能从原来的无序混乱状在外界条件的变化达到一定阈值时，可能从原来的无序混乱状在外界条件的变化达到一定阈值时，可能从原来的无序混乱状态，转变为一种时空或结构有序的新状态，这种有序状态需要不态，转变为一种时空或结构有序的新状态，这种有序状态需要不态，转变为一种时空或结构有序的新状态，这种有序状态需要不态，转变为一种时空或结构有序的新状态，这种有序状态需要不断地与外界交换物质和能量才能维持，并保持一定的稳定性。断地与外界交换物质和能量才能维持，并保持一定的稳定性。断地与外界交换物质和能量才能维持，并保持一定的稳定性。断地与外界交换物质和能量才能维持，并保持一定的稳定性。这种在远离平衡情况
20、下形成的新的有序结构，称为这种在远离平衡情况下形成的新的有序结构，称为这种在远离平衡情况下形成的新的有序结构，称为这种在远离平衡情况下形成的新的有序结构，称为“耗散结耗散结耗散结耗散结构构构构”。耗散结构作为一种时空有序结构，正是在一个自我保持耗散结构作为一种时空有序结构，正是在一个自我保持耗散结构作为一种时空有序结构，正是在一个自我保持耗散结构作为一种时空有序结构，正是在一个自我保持和自我修复的系统中维护各部分之间关系的一种特定构型。因而和自我修复的系统中维护各部分之间关系的一种特定构型。因而和自我修复的系统中维护各部分之间关系的一种特定构型。因而和自我修复的系统中维护各部分之间关系的一种特
21、定构型。因而其存在就标志着系统处于其存在就标志着系统处于其存在就标志着系统处于其存在就标志着系统处于“稳定状态稳定状态稳定状态稳定状态”。耗散结构的产生过程也耗散结构的产生过程也耗散结构的产生过程也耗散结构的产生过程也是一种自组织形成的过程，其形成机制在一定程度上反映了系统是一种自组织形成的过程，其形成机制在一定程度上反映了系统是一种自组织形成的过程，其形成机制在一定程度上反映了系统是一种自组织形成的过程，其形成机制在一定程度上反映了系统稳定性产生并得以保持的内在原因。稳定性产生并得以保持的内在原因。稳定性产生并得以保持的内在原因。稳定性产生并得以保持的内在原因。本讲稿第十七页，共八十一页 3
22、、系统稳定性的相对性 物质系统的稳定性是相对于一定范围而言的。超出这个范围，物质系统的稳定性是相对于一定范围而言的。超出这个范围，物质系统的稳定性是相对于一定范围而言的。超出这个范围，物质系统的稳定性是相对于一定范围而言的。超出这个范围，原有的稳定态就会失稳，涨落将支配系统的行为。当这种涨落被原有的稳定态就会失稳，涨落将支配系统的行为。当这种涨落被原有的稳定态就会失稳，涨落将支配系统的行为。当这种涨落被原有的稳定态就会失稳，涨落将支配系统的行为。当这种涨落被一定条件所巩固时，就会出现新的稳定态。即随着外界控制参量一定条件所巩固时，就会出现新的稳定态。即随着外界控制参量一定条件所巩固时，就会出现
23、新的稳定态。即随着外界控制参量一定条件所巩固时，就会出现新的稳定态。即随着外界控制参量的变化，系统会经历稳定的变化，系统会经历稳定的变化，系统会经历稳定的变化，系统会经历稳定失稳失稳失稳失稳再稳定的演化历程。普利高津提再稳定的演化历程。普利高津提再稳定的演化历程。普利高津提再稳定的演化历程。普利高津提出的结构出的结构出的结构出的结构功能功能功能功能涨落图涨落图涨落图涨落图(见下图见下图见下图见下图)，就是这种过程的形象表述。按，就是这种过程的形象表述。按，就是这种过程的形象表述。按，就是这种过程的形象表述。按这个图式，随机涨落会导致系统内部机制的改变这个图式，随机涨落会导致系统内部机制的改变这
24、个图式，随机涨落会导致系统内部机制的改变这个图式，随机涨落会导致系统内部机制的改变(普利高津称这普利高津称这普利高津称这普利高津称这种机制为种机制为种机制为种机制为“功能功能功能功能”)”)”)”)。如果这种改变不是发生在临界点附近，那么。如果这种改变不是发生在临界点附近，那么。如果这种改变不是发生在临界点附近，那么。如果这种改变不是发生在临界点附近，那么系统的结构会平息涨落，系统依然是稳定的。如果涨落被放大到系统的结构会平息涨落，系统依然是稳定的。如果涨落被放大到系统的结构会平息涨落，系统依然是稳定的。如果涨落被放大到系统的结构会平息涨落，系统依然是稳定的。如果涨落被放大到临界点附近，结构无
25、法调整这些机制，稳态将转化为失稳，宏观临界点附近，结构无法调整这些机制，稳态将转化为失稳，宏观临界点附近，结构无法调整这些机制，稳态将转化为失稳，宏观临界点附近，结构无法调整这些机制，稳态将转化为失稳，宏观时空结构也会发生变化。而在变化了的时空结构中，又会有新的时空结构也会发生变化。而在变化了的时空结构中，又会有新的时空结构也会发生变化。而在变化了的时空结构中，又会有新的时空结构也会发生变化。而在变化了的时空结构中，又会有新的涨落。涨落。涨落。涨落。本讲稿第十八页，共八十一页 普利高津结构功能涨落图 （决定论的）功能 结构 涨落 （随机的）本讲稿第十九页，共八十一页四、自然界物质系统的层次性
26、一一个个较较为为复复杂杂的的系系统统都都是是按按层层次次结结构构组组织织起起来来的的，即即每每个个物物质质系系统统都都是是较较高高一一级级系系统统的的一一个个要要素素，同同时时它它作作为为较较高高一一级级系系统统的的要要素素本本身身，通通常常又又是是较较低低一一级级的的系系统统，这这样样便便形形成成了了自自然然界物质系统的层次性（如下图）。界物质系统的层次性（如下图）。本讲稿第二十页，共八十一页 图2-2非生命世界物质层次 图2-3生命世界物质层次 总星系总星系 星系团星系团 生物圈生物圈 星系星系 生态系统生态系统 恒星恒星 生物群落生物群落 行星行星(包括卫星包括卫星)种种 群群 生物个体
27、生物个体 地面上的宏观物体地面上的宏观物体 本讲稿第二十一页，共八十一页 图2-2非生命世界物质层次 图2-3生命世界物质层次 地面上的宏观物体地面上的宏观物体 生物个体生物个体 分子分子 系统系统 原子原子 器官器官 原子核原子核 组织组织 基本粒子基本粒子 细胞细胞 夸克夸克 生物大分子生物大分子本讲稿第二十二页，共八十一页(一)层次结构的基本特征 层次结构指的是，若干要素经相互作用构成的系统，再通过新的相互作用而构成新系统的逐级构成的结构关系。在这种关系中，参与构成的系统称为低层系统，构成后的新系统称为高层系统。本讲稿第二十三页，共八十一页1、构成性：层次结构特征之一 层层次次结结构构的
28、的一一个个显显著著特特征征是是，低低层层系系统统对对高高层层系系统统具具有有构构成成关关系系：低低层层系系统统必必须须是是高高层层系系统统的的构构成成部部分分，而而高高层层系系统统也也只只能能以以低低层层系系统统为为存在基础。存在基础。层层次次结结构构中中的的构构成成性性关关系系是是物物质质系系统统之之间间的的纵纵向向的的或或垂垂直直的的有有序序关关系系，即即子子系系统统与与母母系系统统、各各个个子子系系统统之之间间的的相相互互包包含含和和相相互互作作用用，它它反反映出不同层次之间是相互依存的。映出不同层次之间是相互依存的。本讲稿第二十四页，共八十一页 2、相干性：层次结构特征之二 层次结构中
29、的相干性关系是物质系统间的横向关系。层次结构中的相干性关系是物质系统间的横向关系。只只有有通通过过相相干干性性关关系系，它它们们才才能能结结合合起起来来构构成成高一级系统，导致纵向层次间质的差异。高一级系统，导致纵向层次间质的差异。随随着着每每一一个个新新物物质质层层次次的的形形成成，总总会会有有新新质质的的突现和新功能的问世。突现和新功能的问世。相相干干性性关关系系所所造造成成的的新新层层次次往往往往在在自自身身结结构构上上更更简简单单一一些些，从从而而为为低低层层系系统统能能够够并并入入高高层层次次的的活活动动模式创造条件。模式创造条件。本讲稿第二十五页，共八十一页 (二)层次结构的结合度
30、 由由层次结构的基基本本特特点点决决定定了了其其结合度的差异性和递减性等特征。一一般般随随着着层层次次由由低低向向高高推推进进，结结合合的的紧紧密密程程度度由由大大到小而递减：到小而递减：从从将将夸夸克克结结合合为为基基本本粒粒子子的的力力量量到到将将中中子子和和质质子子结结合合为为原原子子核核的的核核交交换换力力；从从将将原原子子核核与与电电子子结结合合 的的电电磁磁力力到到将将原原子子结结合合为为分分子子的的共共价价键键或或离离子子键键；从从将将化化学学分分子子结结合合为为生生命命大大分分子子到到将将多多细细胞胞结结合合为为生生命命整整体体；直直至至维维持持生生物物群群落落和和生生态态系系
31、统统的的力力量量，不不但但具具有有巨巨大大的强弱差异，而且是依次递减的。的强弱差异，而且是依次递减的。本讲稿第二十六页，共八十一页 (三)层次结构的因果链 层层层层次次次次结结结结构构构构中中中中存存存存在在在在着着着着双双双双向向向向因因因因果果果果链链链链：上上上上向向向向因因因因果果果果链链链链和和和和下下下下向向向向因因因因果果果果链。链。链。链。其其其其一一一一，低低低低层层层层系系系系统统统统及及及及其其其其相相相相干干干干性性性性关关关关系系系系作作作作为为为为原原原原因因因因，可可可可以以以以在在在在高高高高层层层层系系系系统统统统中中中中引引引引起起起起一一一一定定定定的的的
32、的结结结结果果果果，决决决决定定定定高高高高层层层层系系系系统统统统的的的的特特特特点点点点和和和和规规规规律律律律，此此此此乃乃乃乃其其其其上上上上向向向向因因因因果果果果链。链。链。链。其其其其二二二二，高高高高层层层层系系系系统统统统对对对对低低低低层层层层系系系系统统统统的的的的支支支支配配配配、影影影影响响响响和和和和限限限限制制制制，这这这这是是是是其其其其下下下下向向向向因因因因果果果果链链链链。这这这这种种种种双双双双向向向向因因因因果果果果链链链链的的的的存存存存在在在在，不不不不仅仅仅仅造造造造成成成成了了了了层层层层次次次次之之之之间间间间的差别，也沟通了层次之间的联系：
33、的差别，也沟通了层次之间的联系：的差别，也沟通了层次之间的联系：的差别，也沟通了层次之间的联系：上上上上向向向向因因因因果果果果链链链链的的的的存存存存在在在在，提提提提供供供供了了了了从从从从低低低低层层层层次次次次规规规规律律律律入入入入手手手手认认认认识识识识高高高高层层层层次次次次现现现现象象象象的的的的可可可可能能能能性性性性；而而而而下下下下向向向向因因因因果果果果链链链链的的的的存存存存在在在在，则则则则保保保保证证证证了了了了从从从从高高高高层层层层次次次次规规规规律律律律出出出出发对加入高层系统的低层现象进行解释和预言的可能性发对加入高层系统的低层现象进行解释和预言的可能性发
34、对加入高层系统的低层现象进行解释和预言的可能性发对加入高层系统的低层现象进行解释和预言的可能性。本讲稿第二十七页，共八十一页 第2节 自然界的演化 自然界不仅存在着，而且生成着并消逝着。自然界不仅存在着，而且生成着并消逝着。生生成成与与消消逝逝的的不不断断更更替替，便便构构成成了了自自然然界的演化链条。界的演化链条。要要揭揭示示自自然然界界的的奥奥秘秘，展展示示自自然然界界的的图图景景，除除了了把把自自然然界界作作为为一一种种存存在在来来把把握握，还还必必须须把自然界当作一种过程来理解。把自然界当作一种过程来理解。本讲稿第二十八页，共八十一页 一、自然界的演化过程 根据目前已确认的科学事实和比
35、较公认的科学假说，我们可对自然界的演化过程作出一个大致的描述。本讲稿第二十九页，共八十一页(一)宇宙和天体的起源与演化 1 1 1 1、宇宙起源与大爆炸假说、宇宙起源与大爆炸假说、宇宙起源与大爆炸假说、宇宙起源与大爆炸假说 关于宇宙起源的认识主要来自于伽莫夫关于宇宙起源的认识主要来自于伽莫夫关于宇宙起源的认识主要来自于伽莫夫关于宇宙起源的认识主要来自于伽莫夫“大爆炸假说大爆炸假说大爆炸假说大爆炸假说”及其修正。及其修正。及其修正。及其修正。而而而而形形形形成成成成后后后后的的的的宇宇宇宇宙宙宙宙的的的的演演演演化化化化先先先先后后后后经经经经历历历历了了了了基基基基本本本本粒粒粒粒子子子子形形
36、形形成成成成阶阶阶阶段段段段、辐辐辐辐射射射射阶阶阶阶段段段段或核合成阶段、实物阶段。或核合成阶段、实物阶段。或核合成阶段、实物阶段。或核合成阶段、实物阶段。2 2 2 2、恒星演化与弥漫说、恒星演化与弥漫说、恒星演化与弥漫说、恒星演化与弥漫说 恒星的演化，按目前广为接受的弥漫说，一般要经历以下几个阶段：恒星的演化，按目前广为接受的弥漫说，一般要经历以下几个阶段：恒星的演化，按目前广为接受的弥漫说，一般要经历以下几个阶段：恒星的演化，按目前广为接受的弥漫说，一般要经历以下几个阶段：引引引引力力力力收收收收缩缩缩缩阶阶阶阶段段段段(包包包包括括括括快快快快收收收收缩缩缩缩阶阶阶阶段段段段和和和和
37、慢慢慢慢收收收收缩缩缩缩阶阶阶阶段段段段)：主主主主序序序序星星星星阶阶阶阶段段段段；红红红红巨巨巨巨星星星星阶段；脉动阶段；爆发阶段和高密阶段等。阶段；脉动阶段；爆发阶段和高密阶段等。阶段；脉动阶段；爆发阶段和高密阶段等。阶段；脉动阶段；爆发阶段和高密阶段等。在在在在恒恒恒恒星星星星演演演演化化化化的的的的特特特特殊殊殊殊阶阶阶阶段段段段和和和和特特特特定定定定条条条条件件件件下下下下，在在在在宇宇宇宇宙宙宙宙之之之之一一一一隅隅隅隅出出出出现现现现了了了了太太太太阳阳阳阳系系系系以及作为太阳系一个成员的地球。以及作为太阳系一个成员的地球。以及作为太阳系一个成员的地球。以及作为太阳系一个成员
38、的地球。本讲稿第三十页，共八十一页本讲稿第三十一页，共八十一页一、宇一、宇 宙宙 的的 演化演化 由由 小小 到到 大大彗星彗星(Comet)數十公里數十公里 小行星小行星(Asteroid)數百公里數百公里衛星衛星(Satellite)數千公里數千公里行星行星(Planet)數萬公里數萬公里恆星恆星(Star)數十萬公里數十萬公里星雲星雲(Nebula)數光年數光年星團星團(Cluster)數光年數光年 疏散疏散(Open),球狀球狀(Globular)本讲稿第三十二页，共八十一页一、宇一、宇 宙宙 的的 演化演化 由由 小小 到到 大大(續續)銀河銀河/星系星系(Galaxy)數十萬光年數
39、十萬光年星系團星系團(Cluster of galaxies)數百萬光年數百萬光年超級星系團超級星系團(Supercluster of galaxies)數數億光年億光年宇宙宇宙(Universe)一百四十億光年一百四十億光年掌管所有子宇宙的母宇宙？掌管所有子宇宙的母宇宙？本讲稿第三十三页，共八十一页二、宇二、宇 宙宙 的的 運運 動動 由由 慢慢 到到 快快地球的自轉地球的自轉 地球的公轉地球的公轉 太陽系繞銀河中心的公轉太陽系繞銀河中心的公轉 銀河系在本地星系群中的運動銀河系在本地星系群中的運動 本地星系群在室女座星系團中的運動本地星系群在室女座星系團中的運動淨運動：淨運動：400 km/
40、sec(0.001c)本讲稿第三十四页，共八十一页三、宇宙在膨脹三、宇宙在膨脹 如何發現的？如何發現的？我們相信宇宙起源於一百二十億年前的一次我們相信宇宙起源於一百二十億年前的一次高溫大爆炸高溫大爆炸（“大霹靂大霹靂”）：(Big Bang)支持大支持大爆炸爆炸學說的證據：學說的證據：(1)星系奔離星系奔離(Vesto Slipher,Edwin Hubble)(2)2.73 K 黑體輻射黑體輻射(Penzias and Wilson)(3)宇宙初始的元素豐度宇宙初始的元素豐度(Abundances)本讲稿第三十五页，共八十一页探寻星云的本质探寻星云的本质vv关于星云的两种观点：关于星云的两种
41、观点：vv1.星云是银河系内的星际物质。星云是银河系内的星际物质。vv2.幸运是像银河系一样巨大的恒星集团，幸运是像银河系一样巨大的恒星集团，只是因为太远而看起来像只是因为太远而看起来像“云云”。本讲稿第三十六页，共八十一页Hubbl 与与 Slipher 的工作的工作vv1924年，年，Hubbl利用威尔逊山的大望远镜观察仙女利用威尔逊山的大望远镜观察仙女座大星云，发现它实际上由许多恒星组成，并用光度座大星云，发现它实际上由许多恒星组成，并用光度方法测定了它的距离为方法测定了它的距离为70万光年之外。此后的进一步万光年之外。此后的进一步观测使人类的视野扩大到观测使人类的视野扩大到5亿光年的范
42、围。亿光年的范围。vv1912年开始，年开始，Slipher 致力于恒星的光谱研究，发现河外致力于恒星的光谱研究，发现河外致力于恒星的光谱研究，发现河外致力于恒星的光谱研究，发现河外星云的谱线存在着向红端移动的现象。根据多普勒效应，星云的谱线存在着向红端移动的现象。根据多普勒效应，星云的谱线存在着向红端移动的现象。根据多普勒效应，星云的谱线存在着向红端移动的现象。根据多普勒效应，它们远离地球而去。它们远离地球而去。它们远离地球而去。它们远离地球而去。vv19291929年，年，年，年，Hubbl Hubbl 提出了哈勃定律：星系的红移量与它们离提出了哈勃定律：星系的红移量与它们离提出了哈勃定律
43、：星系的红移量与它们离提出了哈勃定律：星系的红移量与它们离地球的远近成正比。这就向人们展示了一幅宇宙整体膨胀的地球的远近成正比。这就向人们展示了一幅宇宙整体膨胀的地球的远近成正比。这就向人们展示了一幅宇宙整体膨胀的地球的远近成正比。这就向人们展示了一幅宇宙整体膨胀的图景。图景。图景。图景。本讲稿第三十七页，共八十一页Vesto Slipher Edwin Hubbl發現星系紅位移發現星系紅位移 確立紅移確立紅移 距離的關係距離的關係 本讲稿第三十八页，共八十一页 Hubble Hubble 原始觀測記錄原始觀測記錄原始觀測記錄原始觀測記錄 近代較先進儀器觀測結果近代較先進儀器觀測結果近代較先進
44、儀器觀測結果近代較先進儀器觀測結果 本讲稿第三十九页，共八十一页vv表象表象：星系奔離：星系奔離vv實際實際：星系間的時空增加：星系間的時空增加本讲稿第四十页，共八十一页三、宇宙在膨脹三、宇宙在膨脹如何發現的？如何發現的？(續續)我們相信宇宙起源於一百二十億年前的一次高溫大我們相信宇宙起源於一百二十億年前的一次高溫大爆炸爆炸（“大霹靂大霹靂”）：(Big Bang)支持支持“大大爆炸爆炸學說學說”的證據：的證據：(1)星系奔離星系奔離(Vesto Slipher,Edwin Hubble)(2)2.73 K 黑體輻射黑體輻射(Penzias and Wilson)(3)宇宙初始的元素豐度宇宙初
45、始的元素豐度(Abundances)本讲稿第四十一页，共八十一页 Arno Penzias(left)and Robert Wilson(right)本讲稿第四十二页，共八十一页vv早期的宇宙背景輻射觀測早期的宇宙背景輻射觀測 本讲稿第四十三页，共八十一页本讲稿第四十四页，共八十一页三、宇宙在膨脹三、宇宙在膨脹如何發現的？如何發現的？(續續)我們相信宇宙起源於一百二十億年前的一我們相信宇宙起源於一百二十億年前的一次高溫大爆炸：大霹靂次高溫大爆炸：大霹靂(Big Bang)支持大霹靂學說的證據：支持大霹靂學說的證據：(1)星系奔離星系奔離(Vesto Slipher,Edwin Hubble)(
46、2)2.73 K 黑體輻射黑體輻射(Penzias and Wilson)（3）宇宙初始的元素豐度宇宙初始的元素豐度(Abundances)本讲稿第四十五页，共八十一页四、宇宙的未來四、宇宙的未來 誰來決定？誰來決定？開放、臨界，還是開放、臨界，還是 關閉關閉？(To Close or not to,is the question.)由宇宙中物質總量來決定由宇宙中物質總量來決定減速參數減速參數(Deceleration Parameter)：q0=0(Open)+1 q0=1/2(Critical)0 q0 1/2(Closed)-1本讲稿第四十六页，共八十一页本讲稿第四十七页，共八十一页本讲
47、稿第四十八页，共八十一页 (二)地球的演化 地地球球是是在在太太阳阳系系形形成成的的过过程程中中诞诞生生的的，迄迄今今的的历历史史约约4646亿亿年年。在在这这期期间间，地地球球发发生生了了一一系系列列的的变变化。化。1 1、地球内部圈层的演化、地球内部圈层的演化 2 2、地球外部圈层的演化、地球外部圈层的演化 (1)(1)大气圈大气圈 (2)(2)水圈水圈 （3 3）岩石土壤圈）岩石土壤圈本讲稿第四十九页，共八十一页(三)生物圈:生命起源和生物进化 生生生生命命命命是是是是蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质和和和和核核核核酸酸酸酸多多多多分分分分子子子子体体体体系系系系存存存存在在在在的的的的一一一一
48、种种种种方方方方式式式式，它它它它是是是是由由由由非非非非生生生生命命命命物物物物质质质质在在在在原始地球环境中经过长期的演化而形成的。原始地球环境中经过长期的演化而形成的。原始地球环境中经过长期的演化而形成的。原始地球环境中经过长期的演化而形成的。1 1 1 1、原始生命的诞生、原始生命的诞生、原始生命的诞生、原始生命的诞生 在在在在原原原原始始始始地地地地球球球球条条条条件件件件下下下下，当当当当具具具具有有有有催催催催化化化化功功功功能能能能的的的的原原原原始始始始蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质和和和和能能能能起起起起模模模模板板板板作作作作用用用用的的的的原原原原始始始始核核核核酸酸酸酸一一
49、一一旦旦旦旦产产产产生生生生并并并并结结结结合合合合为为为为多多多多分分分分子子子子体体体体系系系系时时时时，真真真真正正正正的的的的原原原原始始始始生生生生命命命命就就就就随随随随之之之之诞诞诞诞生生生生了。了。了。了。2 2 2 2、生物进化与人类起源、生物进化与人类起源、生物进化与人类起源、生物进化与人类起源 原原原原始始始始生生生生命命命命出出出出现现现现以以以以后后后后，又又又又经经经经历历历历了了了了从从从从非非非非细细细细胞胞胞胞到到到到细细细细胞胞胞胞、从从从从原原原原核核核核细细细细胞胞胞胞到到到到真真真真核核核核细细细细胞胞胞胞，再到单细胞生物进化成多细胞生物，进而分化成动
50、物和植物。再到单细胞生物进化成多细胞生物，进而分化成动物和植物。再到单细胞生物进化成多细胞生物，进而分化成动物和植物。再到单细胞生物进化成多细胞生物，进而分化成动物和植物。在在在在适适适适宜宜宜宜的的的的环环环环境境境境中中中中，植植植植物物物物沿沿沿沿着着着着菌菌菌菌藻藻藻藻植植植植物物物物苔苔苔苔藓藓藓藓和和和和蕨蕨蕨蕨类类类类植植植植物物物物裸裸裸裸子子子子植植植植物物物物被被被被子子子子植植植植物物物物的的的的方方方方向向向向进进进进化化化化；动动动动物物物物则则则则沿沿沿沿着着着着无无无无脊脊脊脊椎椎椎椎动动动动物物物物脊脊脊脊椎椎椎椎动动动动物物物物的的的的方方方方向发展，直到人类