华中农业大学：《自然辨证法》课程教学资源（PPT讲义课件）第三讲 自然界的系统演化

自然界的系统演化 可逆性与不可逆性(是否有时间箭头 可逆与不可逆 如果系统从某状态变到另状态后能够 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 通常用数学语言加以刻画。人们把映射t→ 称作时间反演变换。如果描述一个过程的动 力学方程在时间反演变换下保持不变,则称 该过程是时间反演对称的,亦即为可逆过程

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。 通常用数学语言加以刻画。人们把映射t → - t称作时间反演变换。如果描述一个过程的动 力学方程在时间反演变换下保持不变，则称 该过程是时间反演对称的，亦即为可逆过程 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)

2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 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 如车顿力学、相对论、量子力学 F=mdr/dt2把t.,方程形式不变;对 时间反演对称,意味时间无方向性

2 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。 如牛顿力学 、相对论、量子力学 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

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 1(x) e2T(xt) et 把t,方程形式变化,时间反演不对称 或对称性破缺,意味时间方向性

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) әt = -λ ә²T(x¸t) әx² 把t –t，方程形式变化，时间反演不对称 或对称性破缺，意味时间方向性

)自然界演化的方向性:进化或退化 概念 进化一般是指物质客体演化中由无序到有序 用低序到高序的趋势和过程或复杂性和多样 性的增长。 退化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。 序是对系统内部各要素之间的联系及演化 过程性质的描述,它表征着系统的组织程度 度量参量:熵、序参量、信息量

（二）自然界演化的方向性：进化或退化 1概念 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或复杂性和多样 性的增长。 退化—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。 序是对系统内部各要素之间的联系及演化 过程性质的描述，它表征着系统的组织程度。 度量参量：熵、序参量、信息量

并非所有有序程度提高的过程都能称为进化。 有两种变化方式 种变化是预先编好程序 的譬如象胚胎在母体子宫内的演变和生长 另外一种类型的变化是创造性的推进 标志着真正的进化 对称和破缺 对称是指定变换下的不变性。这样的状态 实际对应着无序 破缺指一定条件下所表现的可变性,或对称 性的降低,对应着系统的有序状态。复杂性 和层次结构正是起源于某种对称性的破缺

并非所有有序程度提高的过程都能称为进化。 有两种变化方式，一种变化是预先编好程序 的，譬如象胚胎在母体子宫内的演变和生长， 另外—种类型的变化是创造性的推进” ，它 标志着真正的进化。 对称和破缺 对称是指一定变换下的不变性。这样的状态 实际对应着无序 破缺指一定条件下所表现的可变性，或对称 性的降低，对应着系统的有序状态。复杂性 和层次结构正是起源于某种对称性的破缺

2科学理论对时间箭头指向的回答 热力学对演化过程的揭示 卡诺原理:温度均衡过程必导致做功可能性 的丧失 热力学第二定律: 汤姆逊:不能从单一热源取热全部转化 为功而不产生其它影响 克劳修斯:热不可能从低温物体流向高 温物体而不产生其它影响

•热力学对演化过程的揭示： 卡诺原理：温度均衡过程必导致做功可能性 的丧失 热力学第二定律： 汤姆逊：不能从单一热源取热全部转化 为 功而不产生其它影响。 克劳修斯：热不可能从低温物体流向高 温物体而不产生其它影响 2 科学理论对时间箭头指向的回答

用熵表述为: 个孤立系统的熵总趋于增大(熵增定律) 熵:本义是表征系的状态 宏观意义表征系统能量分布的均匀程度 (能量平均状态是熵值达到最大的状态) 微观意义表征系统内部粒子的无序程度

用熵表述为： 一个孤立系统的熵总趋于增大（熵增定律） 熵：本义是表征系统的状态 宏观意义表征系统能量分布的均匀程度 （能量平均状态是熵值达到最大的状态） 微观意义表征系统内部粒子的无序程度

考察热力学 能量从有效到无效状态的转化 从较高集中程度向较低集中程度的转化 从有序状态向无序状态的转变 熵理论在物理学中第一次真正触及到自然界 发展的不可逆性问题

考察热力学 能量从有效到无效状态的转化 从较高集中程度向较低集中程度的转化 从有序状态向无序状态的转变 熵理论在物理学中第一次真正触及到自然界 发展的不可逆性问题

熵理论运用于整个宇宙,提出以熵理论为基 础的宇宙理论。 赫尔姆霍兹提出宇宙热寂说:宇宙不断变 冷(或热),所有有用的能量最后都转化为 热,宇宙最终要处于温度均匀的状态,所有 的自然过程都将停止 字宙的热寂相当于永恒的宁静。旦宇宙达 到热寂,宇宙将呈现幅惨淡的景象

熵理论运用于整个宇宙，提出以熵理论为基 础的宇宙理论。 赫尔姆霍兹提出宇宙热寂说：宇宙不断变 冷（或热），所有有用的能量最后都转化为 热，宇宙最终要处于温度均匀的状态，所有 的自然过程都将停止。 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

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 在劫难逃的星球的失事船只中的旅客。 维纳

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