第一篇自然观
第一章绪论
自然辩证法是马克思主义哲学的重要组成部分，也是马克思主义哲学的一个重要分支学科。它是关于自然界和科学技术发展的一般规律以及人类认识和改造自然的一般方法的科学。它是马克思主义对人类认识自然和改造自然已有成果的概括和总结。19世纪后半期（1873年）恩格斯在总结19世纪包括19世纪以前的自然科学技术研究成果的基础上花费了13年时间，于1886年写下了《自然辩证法》一书，为这门学科的建立和往后的发展奠定了基础。
第一节自然辩证法的研究对象、科学内容、学科性质
一、研究对象：
1. 自然界存在发展的一般规律，即自然界的辩证法；
2. 科学技术发展的一般规律，即科学技术发展的辩证法；
3. 人类认识自然和改造自然方法的一般规律，即科学技术研究的辩证法。
二、科学内容：
与自然辩证法的研究对象相对应，自然辩证法的科学内容也由三部分组成：自然观、科技观、科学技术方法论。
1. 自然观是自然辩证法学科的理论基础和前提，是人们对自然界的总的根本的看法。它主要研究自然界的存在方式；自然界演化发展的规律；人和自然的关系等问题。
2. 科技观主要研究科学技术的本质及其发展的一般规律，是人们对科学技术的总的看法。它主要考察科学技术的体系结构；科学技术自身内部发展的规律性；考察科学技术发展的模式或范式；并深刻揭示科学技术是社会生产力这一本质属性；考察科学技术与社会政治、经济、教育、文化等其它社会要素协调发展的辩证关系。
3. 科学技术方法论。它主要研究科学技术方法的本质及其发展的一般规律。研究科学技术方法的性质、特点、程序、法则、模式、作用和条件，是人类关于认识自然和改造自然的一般方法的理论。它以辩证唯物主义（马克思主义哲学）认识论和方法论为指导，在现代科学技术研究成果和发展水平基础之上对各门科学技术研究的特殊方法加以总结、抽象和概括，从而形成了适用于各门科学技术研究的具有普遍指导意义的一般的原则和方法。如：提出科学问题和选择科研课题的方法；观察和实验方法；捕捉机遇的方法；逻辑思维方法；非逻辑思维方法；系统科学方法；数学方法；建立科学假说和科学理论的方法；技术发明创造方法、技术创新方法、工程技术方法等。
三、学科性质
1. 从研究领域看，自然辩证法相当于西方的自然哲学、科学哲学和技术哲学的总和。但在自然观、科技观和方法论方面，自然辩证法同西方的自然哲学、科学哲学和技术哲学有着根本的区别。尽管自然辩证法和西方科技哲学都企图解释和发现自然界、科学技术以及科学技术研究方法的本质和规律，但自然辩证法是马克思主义的自然哲学、科学哲学和技术哲学，是马克思主义哲学体系的重要组成部分。它具有把本体论、认识论、方法论相统一的观点，具有把自然观、科技观和历史观相统一的观点，从而把自然观、科技观和科学技术方法论组成了一个完整的有内在联系的学科体系。而西方科技哲学恰恰缺乏以上观点，因此，在他们那里，自然哲学、科学哲学、技术哲学等学科只是一个学科群体，而不能组成一个有机联系的学科体系。目前，有的学校把自然辩证法改为“科技哲学”
2. 从自然辩证法同各门科学技术和辩证唯物主义哲学的关系来看：自然辩证法是介于两者之间的一门独立学科；具有交叉学科、综合学科的性质。
自然辩证法同各门科学技术和辩证唯物主义哲学既相互区别又相互联系。①就其相互区别而言，研究对象不同：自然辩证法既不像各门科学技术那样，以自然界某个领域的特定事物作为研究对象，又不像辩证唯物主义哲学那样，以整个客观世界的普遍规律为研究对象。自然辩证法研究的是自然界、科学技术以及科学技术研究方法发展的一般规律，其研究范围大于各门科学技术而小于辩证唯物主义哲学。相应地，其理论抽象性和普适度也大于各门科学技术而小于辩证唯物主义哲学。如果把各门科学技术看作是认识和改造自然的最低层次，把辩证唯物主义哲学看作是认识和改造客观世界的最高层次，那么，自然辩证法则处于中间层次。所以，从这个意义上说，辩证唯物主义哲学、自然辩证法和各门科学技术之间的关系是普遍、一般和特殊的关系。
②就其三者的相互联系而言，自然辩证法是对科学技术成果的哲学概括和总结。一方面，自然辩证法必须以各门科学技术提供的关于认识自然和改造自然的成果资料为基础；另一方面，它又必须以辩证唯物主义原理作指导，对科学技术的成果进行总结和概括，把各门科学技术在认识自然和改造自然中已经建立的科学概念、科学理论和科学规律以及技术科学、技术原理、技术方法提升为更具一般性的哲学范畴，从整体上把握自然界、科学技术和科技方法发展的规律。所以，自然辩证法既是马克思主义哲学的重要组成部分，又是联系马克思主义哲学与各门科学技术的纽带；既是辩证唯物主义的普遍原理在自然界中的具体表现和在科学技术领域的具体应用，又是对各门科学技术研究成果的哲学概括。
③自然辩证法不仅研究自然界，而且研究人和自然界的关系以及这种关系在人的思维中的反映（思维规律是对自然规律
的反映），同时，它还研究科学技术在人类社会中展开和发展的过程。因此，它反映了自然科学、技术科学、思维科学和社会科学的交叉性。从这个意义上说，自然辩证法具有交叉和综合学科的性质。
第二节自然辩证法的创立和发展
一、自然辩证法产生前的科学技术和自然观
自然辩证法产生以前，人类对自然界的认识经历了古代和近代初期两个历史阶段。
1. 在古代，无论是古希腊还是古中国，或是其他文明国家，都曾经以自然哲学的形式对自然界的图景进行了朴素的唯物辩证法的描绘。如泰勒斯的“水”，德谟克利特的“原子论”，赫拉克利特的“火”，毕达哥拉斯的“数即万物”的数本主义哲学（吴国盛：“说数即万物当然是荒谬的，但若说事物所遵循的规律是数学的，则是相当正确。近代科学正是在追寻自然界的数学规律中取得长足进步的，而且可以说，许多次重大的突破都是由于发现了新的数学规律。毕达哥拉斯主义传统确实是自然科学中最富有生命力的思想传统”《科学的历程》）；中国的“阴阳五行说”。其特点是：直观性、思辨性、朴素性、笼统性和猜测性。
古希腊时期的科学技术和文化是十分丰富的：
正如北京大学科技史专家吴国盛所讲：“希腊科学是近代科学的先驱。几乎每个领域都留下了思考。”
“希腊人只所以产生许多科学家、哲学家和艺术家，这与他们热爱自由、追求真理、能言善辩、崇尚理性和智慧的科学精神是分不开的。”（希腊文化的精髓）
西方当代的文化主要来自三个方面：希腊文化、盎格鲁——撒克逊文化（公元五、六世纪住落在北欧的日德兰半岛南部的日耳曼人迁居英国，这些人喜爱经商、居住城市、信奉基督教）、文艺复兴时期的人文主义文化。
美国文化的三个基石：基督教文化、自由主义文化、个人主义文化。美国人的最高理想是个人主义。美国1776年独立，1865年南北战争结束（1861—1865）5-15世纪，欧洲处于黑暗的中世纪时期。在这一时期，教会具有至高无上的权力，自然科学受到了严重的抑制，一切自然科学研究都是为了证明神的存在，科学成为神学的奴婢。经院哲学的主要代表是意大利托马斯?阿奎那。
2、在近代。15世纪末16世纪初，随着欧洲城市商业经济的发展和哥伦布（意大利航海探险家，1451-1506年）1492年发现新大陆（美洲），从而奠定了往后的世界贸易以及从家庭手工业过渡到工场手工业（生产方式的改变）的基础。在经济和生产发展的推动下，伴随着思想文化领域的①欧洲文艺复兴（14-16世纪发端于意大利，继而扩展到欧洲各国的思想文化运动，它以复兴古典文化为形式，而以推崇人文主义为其实质，在西方思想史上具有极其重要的意义，主要代表人物有意大利的但丁、彼特拉克、薄伽丘、达?芬奇、拉斐尔和米开朗琪罗；法国的蒙田和拉伯雷；英国的莎士比亚等）。
人文主义反对中世纪抬高神、贬低人的观点，肯定人的价值、尊严和高贵；反对中世纪神学主张的禁欲主义和来世观念，主张人生的享乐和个性的解放，肯定现世生活的意义；反对封建等级观念，主张人的自然平等。文艺复兴由于首先认识和揭示了丰富的、完整的人性而取得了一项伟大的成就，这就是“人的发现”。②宗教改革运动（教会腐败，引起人们的不满，宗教改革的直接目的是消除教会的权威，变奢侈教会为廉洁教会，其实质是人文主义在宗教神学领域的延伸）。欧洲的文艺复兴和宗教改革运动为近代初期科学技术的发展扫清了思想上的障碍。
1543年，哥白尼（波兰1473-1543）的不朽著作《天体运行论》出版，提出了“日心说”，标志着自然科学开始从神学中解放出来，走上了独立发展的道路（公元130年古希腊学者托勒密提出地心说）；伽利略（1564-1642）提出自由落体定律和惯性定律，创立了实验方法和数学方法相结合的科学研究方法；开普勒（德国1571-1630）提出了行星运动三定律；培根（英国1561-1626）创立了实验与归纳相结合方法；笛卡儿（法国1596-1650）则提出了以理性为主的认识论和以演泽为主的方法论。1687年，牛顿（英国1642-1727）总结了哥白尼、开普勒、伽利略以来的科学发展成就，出版了《自然哲学的数学原理》这一原著，建立了完整的经典力学体系，标志着近代自然科学初期发展的最高成就（16初—18世纪中为近代科学技术发展的初期）。史称“第一次科学革命”或“牛顿时代”。
然而从16世纪到17世纪乃至18世纪上半叶的自然科学，总的说来水平还不高，仍然处于近代自然科学发展的初期阶段。除了力学比较完整和成熟外，其他学科则处于分门别类、搜集材料的阶段。所以，此阶段的自然科学研究方法主要是：以分析方法为主，从而形成了孤立地、片面地、静止地思考问题的习惯，具有机械的形而上学自然观的特点。
二、自然辩证法的创立
如果说近代初期形而上学自然观是近代初期自然科学发展的结果。那么，自然辩证法的产生则是18世纪中后期和19世纪自然科学全面发展的结果。
从18世纪下半叶开始，由于瓦特、纽可门发明蒸汽机以及纺织机和机器制造技术的发明和应用，欧洲资本主义工场手工业逐步向机器大工业过度（生产方式的改变），近代技术迅速崛起，一场彻底改变整个社会经济结构，以使用蒸汽机为主要标志的工业革命，首先在英国，继而在欧洲和北美许多国家相继发生（史称第一次技术革命）。在工业革命的推动下，近
代自然科学进入了一个全面发展的新时期即近代科学技术发展的后半期。自然科学从搜集经验材料的阶段开始进入对这些材料进行综合整理和理论概括的阶段。
从18世纪中下叶至19世纪，自然科学各个领域取得了重大的成就，从不同的侧面揭示了自然界的辩证性质。18世纪后半期1789年拉瓦锡《化学纲要》出版，提出了氧化说，并对斯塔尔的燃素说提出批判；康德（德国1755年）、拉普拉斯（法国1796年）提出关于太阳系起源的星云假说；法拉第、麦克斯韦的电磁理论；赖尔的地质渐变论；施旺、施莱登的细胞学说；焦耳、迈尔、赫尔姆霍茨等人的能量守恒与转化定律；汤姆逊、克劳修斯热力学第二定律；达尔文的生物进化论等重大的科学发现，从而使“新的自然观的基本点是完备了，一切僵硬的东西溶化了，一切固定的东西消散了，一切被当作永久存在的特殊东西变成了转瞬即逝的东西，整个自然界被证明是在永恒的流动和循环中运动着”。（史称第二次科学革命）为了适应自然科学这一发展进程的需要，马克思和恩格斯总结和概括了当时自然科学以及技术发展的最新成果，批判地继承了哲学史上的宝贵遗产，特别是：首先，吸收了黑格尔哲学中辩证法的合理内核，并在费尔巴哈唯物主义基础上加以革命性的改造，在建立和完善马克思主义哲学体系的过程中创立了自然辩证法。这一任务是马克思和恩格斯共同提出来的，但系统地进行研究并建立自然辩证法的工作，则主要由恩格斯完成的。
从1873年开始，恩格斯花了13年的时间于1886年完成初稿。他广泛地研究了当时（18世纪后半叶至19世纪）自然科学各个领域的最新成果，先后写下了《反杜林论》、《自然辩证法》和《路德维希?费尔巴哈和德国古典哲学的终结》等光辉著作。其中，《自然辩证法》是恩格斯从事这项研究工作的集中成果。这一论著虽然由于马克思的突然逝世（1883年3月）而打乱了他的计划，使他把几乎全部精力投入到整理和出版《资本论》第二、第三卷的手稿及马克思的其它著作中，直到1895年恩格斯逝世，也未能使《自然辩证法》一书完稿。但其中所包含的关于辩证唯物主义的自然观、科技观和科学认识方法论的基本思想是深刻而完整的，它标志着自然辩证法作为马克思主义哲学这一完整理论体系的一个重要组成部分，已经建立起来。
三、自然辩证法的传播和发展
1925年，恩格斯的《自然辩证法》以德、俄两种文字对照的形式出版。接着，该书的日文版、中文版、英文版等多种文字的版本相继面世，从而使自然辩证法在世界广泛传播。1931年，原苏联物理学家在伦敦第二届科学史世界大会上作了题为《牛顿（原理）的社会经济根源》的报告，以辩证唯物主义的科学观为指导，从社会经济背景上研究自然科学的发展，在西方科学史界引起了强烈反响。1932年，日本学术界成立了自然辩证法研究会。30年代中期，美国、英国、法国的一些科学家和哲学家也致力于自然辩证法的研究并发表了一些重要论著。30年代末，中国也出现了学习和研究目前辩证法的组织，促进了自然辩证法在中国的传播。20世纪70年代末，我国在全国高等院校向研究生开设了自然辩证法课程，并成立了研究会。
20世纪初列宁对自然辩证法的发展作出了新的贡献。19世纪末，由于物理学中X射线（1895德伦琴）、放射性（1898法居里夫人， 4钍、7钋、12镭，1903物、1911化、1934去世67岁；其实最早发现放射性的是法国物理学家贝克勒尔1896）和电子（1897英汤姆逊）的发现，使得经典物理学的原子不可分割，质量不变的观念（1803英道尔顿的原子论）发生了根本动摇，引起了科学家的思想混乱，所谓的“物质消失了，原子不见了”的错误说法一时在物理学界四处流行。列宁为了科学地回答这个问题写下了《唯物主义和经验批判主义》等著作，总结和概括了当时自然科学的最新成果，在物质观、运动观、时空观、真理观等方面，给予了正确的回答，提出了自然界物质层次无限分割的思想，丰富和发展了自然辩证法思想。（史称第三次科学革命）
20世纪初以来自然科学得到了飞速发展，极大地扩展和深化了人类对自然界的认识，从而为丰富和发展自然辩证法开辟了广阔的前景。①爱因斯坦建立的相对论（1905狭义相对论、1916广义相对论；1842奥地利多普勒效应），深刻揭示了物质与运动，时间与空间以及物质运动与时空的内在关系；②海森堡、布朗克、玻尔等人对量子力学的建立，突破了机械决定论的局限，揭示了微观物质世界的运动规律；③原子核物理学和基本粒子物理学（400多种：轻子、介子、重子，）对强子（介子+重子）的内部结构（1964美盖尔曼夸克模型：上、下、旁夸克或奇异夸克； 1970美格拉肖：顶、底、粲夸克）和四种基本相互作用（即，万有引力相互作用，电磁力相互作用，强相互作用，弱相互作用。强力、电磁力、弱力和引力的强度之比为1:10-2:10-14:10-39）的统一研究，展现了物质层次深远的无限性和深刻的统一性以及物质世界的普遍联系和相互作用。
④现代宇宙学对天体演化的研究，不仅从康德、拉普拉斯时的太阳系的星云假设推广到200亿光年的总星系（1光年=94605亿公里≈10万亿公里），而且从原始星云推进到宇宙起源的基本粒子的更深层次；⑤现代分子生物学的发展，把生命现象的物质基础从细胞水平深入到分子水平（ 1953沃森、克里克发现了DNA双螺旋结构模型；其后又发现了限制性内切酶—工具酶；1970-1971内森斯、伯格实现了基因的切割与重组）并揭开了遗传现象的秘密，从而改变了遗传物质是蛋白质的传统看法。
我们知道生物大分子主要指蛋白质和核酸等，它们是生命的物质基础。现代分子生物学研究表明蛋白质基本上是由20种氨基酸组成，这些氨基酸由于排列组合不同，形成各种不同的蛋白质。核酸是由4种核苷酸组成的，是生命的物质基础之
一，它参与生物体内蛋白质的合成，也是遗传信息的主要携带者，对生物的生长、繁殖、遗传、变异等起着决定性的作用。（生物大分子由氨基酸、核苷酸、嘌呤、卟啉、嘧啶等生物小分子组成，美国科学家米勒于1953年所做的模拟实验从而证实了这一过程，仅用8天就产生了5种构成蛋白质的氨基酸。）
⑥20世纪40年代末产生和发展起来的：
系统论（美：贝塔朗菲）、控制论（美：维纳）、信息论（美：申农），以及20世纪70年代兴起的耗散结构理论（比利时：普利高津）、突变理论（法：托姆）、协同学说（德：哈肯）和超循环理论（德：艾根）等自组织理论形成的系统科学，它们撇开了自然界各种物质的具体形态和内容，都把其作为系统去看待，从不同的角度揭示了客观世界的共同运动规律，沟通了各种事物之间以及不同学科之间的联系。
二战以后在技术领域，以电子计算机技术、微电子技术、信息技术、生物工程技术、航空航天技术（空间技术）、自动控制技术、海洋技术、新材料技术（包括纳米技术）、新能源技术、激光技术等为主的现代高技术群得到了空前的发展，并引起了人类社会产业结构、经济结构、上层建筑、意识形态、思维方式、生活方式、行为方式等的巨大变化。所有这些都深刻揭示了自然界的辩证法和科学技术的辩证法。史称第三次技术革命。
对信息技术概念的诠释
信息技术是指研究信息的生产、存储、发送、传递、转换、接收和处理的一切技术的总称。它是一种综合性的技术，主要包括：无线电技术（1865英国麦克斯韦预言电磁波的存在；1886德国赫兹用电磁振荡器发现电磁波；1895—1901意大利马可尼与俄罗斯波波夫发明了无线电技术）。计算机技术（1946美国宾夕法尼亚大学莫奇利、埃克脱发明了ENIAC（埃尼阿克）即电子数字积分计算机；同年美国数学家馮·诺依曼提出EDVAC（爱达法克）即离散变量自动计算机模型，1952年才研制出来，但为计算机往后的发展奠定了坚实的技术基础（变十进制为二进制，变外插式为内存式）。（大爆炸、板块、DNA、夸克、馮.诺依曼模型）。
2008 年：中国曙光5000A，230万亿次/秒；之前美国研制出了世界上最快的计算机“走鹃”，1.1千万亿次/秒；2009.2美国国际商用机器公司（IBM）宣布准备建造一个名为“红衫”的超级计算机其运算速度20千万亿次/秒，是“走鹃”的近20倍；目前中国正在研究运算速度1000万亿次/秒的曙光6000A（中科院计算技术研究所）和深腾X（联想集团）的计算机。
2009年10月由国防科技大学计算机研究所研制成的超级计算机：天河1号运算速度每秒1000万亿次。世界排名第五，亚洲排名第一。
2010年6月1日在德国汉堡举行的2010年世界超级计算机会议上，公布了每年发布两次的世界计算机500强排行榜。美国能源部橡树岭国家实验室的“美洲虎”超级计算机排名首位，计算速度1760万亿次/秒；由中科院计算技术研究所中国曙光公司研制的“星云”排名第二，计算速度1270万亿次/秒，目前在国家超级计算深圳计算中心使用。国家超级计算天津计算中心的“天河1号”排名第七。在500强中，美国：282台，中国：24台，与德国并列第四位，排在美、英、法之后。
中国超级计算机谱系表
国防科技大学计算机研究所——“银河”系列
银河-Ⅰ 1983年运算速度每秒 1亿次银河-Ⅱ 1994年运算速度每秒 10亿次
银河-Ⅲ 1997年运算速度每秒 130亿次银河-Ⅳ 2000年运算速度每秒 1万亿次
银河-Ⅴ在研（军用）
中科院计算技术研究所——“曙光”系列
曙光一号 1992年运算速度每秒 6.4 亿次曙光1000 1995年运算速度每秒 25 亿次；
曙光-1000A 1996年运算速度每秒 40 亿次；曙光-2000Ⅰ 1998年运算速度每秒 200 亿次；
曙光-2000Ⅱ 1999年运算速度每秒 1117 亿次；曙光-3000 2000年运算速度每秒 4032 亿次；
曙光-4000L 2003年运算速度每秒 4.2万亿次；曙光-4000A 2004年运算速度每秒 11 万亿次；
曙光-5000A 2008年运算速度每秒 230 万亿次；曙光-6000A 在研运算速度每秒 1000 万亿次。
国家并行计算机工程技术中心——“神威”列
神威-Ⅰ 1999年运算速度每秒 3840 亿次神威3000A 2007年运算速度每秒 18 万亿次
神威-Ⅱ在研运算速度每秒 300 万亿次（军用）联想集团——“深腾”系列
深腾1800 2002年运算速度每秒 1 万亿次
深腾6800 2003年运算速度每秒 5.3 万亿次深腾7000 2008年运算速度每秒 106.5万亿次
深腾X 在研运算速度每秒 1000 万亿次
集成电路技术：1947年贝尔电话研究所肖克莱、巴丁、布拉坦发明了晶体管；1959年美国的德克萨斯公司基尔比和仙童公司诺依斯发明了集成电路技术。
光纤技术：1958年美国人肖洛和汤斯发现了激光；1960年美国物理学家梅曼发明了第一台红宝石激光器； 1966年美籍华人高锟（1933~）首先提出了用光导纤维进行激光通信的设想。高锟从1957年开始就对光导纤维进行研究，他设想利用一种极高纯度的玻璃作为媒介传送激光脉冲（光波），以代替用金属电缆输出电脉冲的通讯方法,他计算出如何使光在光导纤维中进行远距离传输，从而取得了光纤物理学上的突破性成果。经过近10年的理论研究和无数次的科学实验，终于在1966年才发表了题为《光频率介质纤维表面波导》的论文。这项成果最终促使光纤通信系统问世，而正是光纤通信才为当今互联网的发展铺平了道路。 1970年美国康宁玻璃公司发明了光纤技术。
信息技术还包括：磁记录技术、传感器技术、光电感应技术、图像处理技术、自动控制技术、数理逻辑、神经生理学等科学与技术。所以，现代信息技术是综合了相关科学和技术的技术，也是一种数字化的信息技术。
第二章自然界的存在方式
第一节自然界的物质形态
一、自然界物质的客观实在性
要了解自然界的物质形态，首先必须明确什么是物质？20世界初，列宁曾为物质概念下过定义，他说：“物质是标志客观实在的哲学范畴。这种客观实在是人通过感觉感知的，它不依赖于我们的感觉而存在，为我们的感觉所复写、摄影、反映。”
这一定义是对辩证唯物主义物质观的完整表述。其深刻内涵和重要意义在于：第一，它指出了物质的根本特性在于它的客观实在性，即独立于人的意识而存在，这就从根本上同唯心主义（柏拉图：理念世界，黑格尔：绝对精神）和二元论（笛卡儿认为世界存在两个实体：物质实体、精神实体，不分先后、互不相干、平行存在）划清了界限；第二，它指出了物质这一客观实在是可以为人们所感知的，是可以认识的，这就同不可知论划清了界限。
二、自然界物质形态的多样性
呈现在我们面前的自然界是一个千姿百态、无限多样的物质世界。如医学家们日常接触到的各种细胞、遗传基因、细菌、病毒、抗原、抗体等，都是不同的物质形态。自然科学所研究的对象，从巨大的天体到微小的基本粒子，从无机物到有机物，从单细胞生物到生物个体，无一不是物质的具体形态的表现。自然界一切现存的物质形态都各有自己的特点、特性、结构、形态和发展运动的规律，存在着量和质的差异性，表现出无限的多样性。
（一）从物质分类看物质形态的多样性
自然界可分为非生命界和生命界。
1. 在非生命界里，无数非生命物质形态构成了庞大复杂的非生命系统。
①在宇观领域里，存在着由星云、行星、恒星、星系、星系团、超星系团、总星系等不同层次的天体。其中恒星按其演化过程，又可区分为主序星、红巨星、高密星（质量大的转化为超新星而爆炸）、脉冲星、中子星、黑矮星、白矮星、黑洞等不同形态的天体。（2007年美国发现了一颗体积是太阳150倍的超新星爆炸）
②在宏观领域内，非生命物质又分为有机物和无机物。无机物如：矿石、岩层、沙、土、岩浆及各种无机化合物和元素，目前已知的化合物有数百万种，它们都是各种不同的物质形态。有机物如：石油等。
③在微观领域内，目前已发现有109种化学元素，在实验中已发现有基本粒子400多种。基本粒子按其质量和特性又可分为三大族：即轻子族、介子族和重子族。介子族和重子族又统称为强子族。
2. 在生命界：微生物、植物、动物构成了庞大复杂的生命系统。据目前科学认识的成果可知，微生物有20多万种，植物有30多万种，动物有150多万种。按门类划分：①植物可分为苔藓植物、蕨类植物、裸子植物、被子植物等类型；②动物可分为多孔动物、腔肠动物、扁形动物、线形动物、环节动物、软体动物、节肢动物、棘皮动物、脊索动物等门类。不同门类的生物在形态上有很大的差异性，其具体生活方式也各有不同。
（二）从物质聚集状态看物质形态的多样性
自然界的物质可划分为五种聚集状态，除人们熟知的固态、液态和气态外，还有等离子态和超固态。日光灯管中的气体、高空中的电离层、茫茫宇宙中的弥漫星云等都处于等离子态。等离子态一般指处于电离状态的气态。与等离子态相反，固体受到高压时，分子间距离逐渐缩小，当压力超过分子间的排斥力时，原子内部的电子和原子核之间的距离也被缩小，电子被压入原子内层，甚至被压入原子核内，与质子结合形成中子，固态就变为超固态。
有研究认为，自然界中还存在着第六态和第七态，即真空场（实验可创造几十亿分之一个大气压的超真空环境）和反物质则是由反粒子构成的物质。（反物质—反原子—反原子核和核外正电子构成；反原子核—反质子和反中子）。这些年来，随着超低温和超高压技术的应用，人们还发现了超导体（Hg：0K）和超流体形态的存在。随着科学技术的发展，人类对物质形态的认识将不断深化。
三、自然界物质形态的统一性
（一）宇宙中的万物在化学元素上的统一性。
1. 非生命界在化学元素上的统一性
①早在1859年，德国化学家本生和基尔霍夫就利用光谱分析法证实了太阳上存在着与地球相同的化学元素：氢、碳、铁、钠、钙等；②根据现代光谱分析法，人们已经发现在太阳上存在着氢、氦、氧、镁、氮、碳、硫、钙、钠、铁、硅、镍等70多种化学元素，而这些化学元素在地球上都是可以找到；③随着当代红外观测等新技术的应用，人们已经能对太阳系以外的各种恒星、银河系、星系、星际气体云等进行光谱分析，结果表明，这些天体化学元素的组成与地球上的物质组成也是一致的。
2. 生命界在化学元素上的统一性
现代分析化学还表明：①在生物界，19世纪中叶由于人们对细胞内部的结构尚不清楚，认为细胞是生物体最基本的单元，它是由一种单纯的有粘性的物质——原生质组成。任何生物的原生质都含有碳、氢、氧、氮、磷、硫、氯、钠、钙、镁、铁等化学元素元素，其中，碳、氢、氧、氮4种化学元素含量约占原生质总量98%，其他各种化学元素所占总量不到2%；微量元素不到1%；②现代科学研究发现人体中的50多种化学元素来自食物及空气中的氧气。原生质和人体中含有的这些元素，没有一种是非生命界所没有而为生命界所特有的。
（二）宇宙中的万物在基本粒子层次上的统一性
19世纪末，20世纪初的物理学革命，打开了微观世界的大门（1895年德国物理学家伦琴发现了X射线；1898年德国居里夫人发现放射性;1897年英国物理学家汤姆逊发现了电子）。说明了原子是由电子和原子核构成。人们在发现电子的同时，在对放射性现象的研究中，还发现了原子核也有内部结构，1919年和1932年卢瑟福和查德威克先后发现了质子和中子，证实了原子核是由质子和中子组成的原子核结构理论。由此人们可知，质子、中子、电子是组成一切客观物体的实物粒子。另外，1905年爱因斯坦发现了光子组成场，提出了光子场理论。从此，人们把质子、中子、电子和光子这四种粒子被称为基本粒子，认为这四种基本粒子是构成所有物质的最小的单元。
随着科学实验和科学理论的研究，如前所述人们先后共发现了400多种基本粒子，并逐步认识到有些基本粒子并不是点粒子，至少强子（中子、质子、超子、π介子、K介子等）是有内部结构的，亦即有些基本粒子还是可以继续分割的。1964年美国的盖尔曼等人提出了强子结构的“夸克模型”认为强子是由上夸克、下夸克和奇异夸克组成；1965年~1966年我国科学家提出的“层子模型”。20世纪70年代美国学者格拉肖又提出了顶夸克、底夸克和粲夸克概念。现在，人们正在探讨夸克或层子以上的自然界物质形态的统一性问题。这些都说明自然界的万物都具有基本粒子的层次，都是由基本粒子所组成。
（三）实物和场两种基本物质形态的统一性
自然界的物质形态尽管无限多样性，但如果我们把它们之间进行比较，就会发现它们有着某些相同点，即我们可以把它们归结为两种基本的物质形态：实物和场。①实物是指以间断形式存在的物质形态，包括一切微观粒子、原子、分子、宏观物体、宇观天体和生命物质形态等。②场是指以连续形式存在的物质形态，包括电磁场、引力场、介子场、胶子场等，它是实物之间相互作用的传递者。场作为一种物质形态，已被科学实验所证实。
实物和场这两种基本物质形态，尽管在物理特性上有区别，但它们之间又具有一定的统一性。这种统一性首先表现在它们之间的相互联系上。没有一种实物周围不存在场，也没有一种场不与实物相联系。例如，实物周围都存在着引力场、引力场对任何实物都有吸引力；带电体周围存在着电磁场，通过电磁场带电体之间又会发生电磁相互作用；核子之间存在介子场，核子与介子场之间有不可分割的联系。
其次，实物和场之间的统一性还表现在相互转化上。如：被称为“基本粒子”的正负电子对（即一对正负电子）相撞，可以转化为具有波动性的光，即转化为场；反过来，在核子场中，光又能转化为一对正负电子（1887年德国赫兹发现光电效应：光照射到金属上可产生电子）。此外，人们还发现了连续的场具有粒子性（光子是可以分割的），间断的实物也具有波动性，连续性和间断性同时存在于场和实物中。在微观世界中，这种波动性和粒子性以及场和实物的对立统一，正是微观世界物质形态统一性的表现。
第二节自然界的系统联系方式
一、系统方式的基本特点
系统是自然界物质的存在方式。那么，什么是系统？贝塔朗菲（美籍奥地利生物学家）认为，系统是“处在一定相互联系中的并与环境发生关系的各组成部分的总体”。钱学森则认为，“系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体，而且这个系统又是它们从属的更大系统的组成部分”。系统是一种联系方式。现代科学研究表明：客观世界中的许多事物的存在都是以系统方式存在的。在整个自然界中，从微观粒子到宇观天体，从无机界到有机界，从非生命界到生命界，从原始生物（细胞）到生物个体、群体、群落乃至生态系统都是由特定的要素组成，具有一定的层次结构
和功能，并与环境发生关系的整体，即系统。
从系统概念可以看出，要素、结构、功能和环境等都是规定一个完备系统所必需的条件。例如，原子核作为一个系统，其要素是性质有别的质子和中子；其结构是由质子、中子组成的结构模型；其功能是核反应释放出巨大的能量；其环境是原子核周围的电磁场、中微子场、电子场等。此外，原子核系统的目的性表现为原子核趋向最稳定的状态。由以上分析，我们可知，系统具有以下四个基本特点：
（一）系统是由若干要素组成的
要素是系统存在的基础，是构成系统最基本的成分。它在系统中的构成情况通常有如下三种：
1、由不同数量和不同性质的要素构成不同的系统。如：太阳系、宏观物体、分子、原子、原子核等系统。
2、由相同数量和相同性质的要素，仅由于结构方式不同，而构成不同的系统。如甲醚（CH3-O-CH3）和乙醇（C2H5OH）都由C、H、O三种基本要素构成，且其C、H、O元素（原子）个数相同，但由于其化学结构不同，而使两个系统的性质和功能不同。
3.、由数量不同、性质相同的要素而构成不同的系统，如氧气O2和臭氧O的基本要素为O元素，但由于二者的O原子的数量不同，相对分子质量也就不同，从而使两个系统的性质和功能也不同。
（二）系统都有一定的结构
系统的结构是系统中各个要素相互联系和各种关系的总和。是系统保持其整体性，并具有一定功能的基础。结构是系统的普遍属性。物质系统的结构可分为空间结构和时间结构。空间结构是指物质系统内部各要素之间，由于相互作用而在空间上形成的一种同时态的稳定结构，如分子结构、原子结构、社会结构、知识结构、技术结构、人体结构等。时间结构是指一种历时态的变动结构，耗散结构就是时间结构的例子。任何物质系统都是空间结构和时间结构的统一，都是稳定性结构和可变性结构的统一。
（三）系统都具有一定的功能
功能是系统由于其内部各要素之间的相互作用从而在整体层次上所表现出来的特性、作用和能力。系统的功能与结构是不可分割的统一体，只要系统的结构存在，它所具有的功能也就存在。如蛋白质的生命体的存在，主要取决于蛋白质各级结构的完整性。有什么样的结构就有什么样的功能，结构决定功能。系统整体的功能与系统要素的功能是相关的，但整体功能又不同于要素功能之总和，因为系统的整体功能是通过系统各要素之间的相互作用才能体现出来，这就是所谓的整体大于部分之和，或系统的整体功能遵循非加和性原理。
（四）系统是处在一定的环境之中
系统的环境是指系统存在的外部条件，是系统以外对该系统有影响作用的诸因素的集合。例如，一台机器、一个企业、一个行政部门、一个生物体或一个天体、一个基本粒子都是处在一定的环境之中，环境对其的生存和发展都有一定的作用和影响。在这里需要指出的是：当我们要把某一特定事物作为系统对象来研究时，首先要将其从环境中分离出来，确定其边界范围及其外界影响因素，然后再进行考察。
系统的要素、结构、功能和环境之间存在着十分密切的关系：一方面系统的功能依赖于要素、结构和环境。要素的性质和数量的变化、结构形态的变化、环境条件的变化，都会影响系统的功能。另一方面，系统也会影响环境的变化，如：由人构成的社会系统作用自然，使自然界发生变化，如环境污染、生态失衡、能源、资源枯竭都是人类社会这个系统作用于环境的结果（汶川地震是否与三峡工程有关？）；而环境又反作用于人类社会系统。因而，系统与环境是双向作用的关系，这也是系统科学理论界目前讨论的新热点问题。
二、物质系统的类型
自然界的物质形态是多种多样的，因而其物质系统也是多种多样的。从不同的研究目的或认识角度出发，根据不同的分类标准，则会形成不同的系统类型：
（一）天然系统、人工系统和复合系统
这是以人对自然界的参与或作用程度为标准而划分的。天然系统是自然生成的系统，是人类尚未干预、尚未开发或尚未改变的自然系统，如，天体、原子、分子、生物群落、生态系统等，它主要靠自身演化而形成，没有人类干预的烙印。人工系统是由人工制造的各种要素构成的系统，如机器、交通工具、各种人工材料、建筑物、通讯网、生产线、工程系统以及各种产品等。复合系统是指人的实践活动已经部分参与其中的系统，是天然系统与人工系统结合而成的系统，如：农业系统、生产系统、水力发电系统、水库、港口以及经过人加工改造过的森林公园等系统。
（二）物理系统、化学系统和生物系统
这是以系统内部发生的实际过程为标准而划分的。
物理系统是指系统内部发生各种物理现象的运动、变化过程的系统等。如力学系统、电磁系统、光学系统、热系统、声
学系统、原子核系统等。化学系统是指发生化学组成或结构变化的系统，如由化合、合成而形成的各种化学物质系统，聚乙烯、聚丙烯、腈纶、维纶、丁苯橡胶、聚甲醛等各种化合物和参与一个化学反应系统的化学物质等。生物系统是指发生生命过程的系统，如各种植物、动物和微生物等从无机物、有机分子、生物小分子、生物大分子、多分子体系、单细胞、多细胞、组织、器官、子系统、到个体、自然生态系统等。
（三）孤立系统、封闭系统和开放系统
这是根据系统与环境的关系来划分的。①如果系统与环境之间既没有物质交换，又没有能量交换的系统则是一种孤立系统。根据热力学第二定律，任何孤立系统其熵值总是趋于最大，而熵是标志一个系统无序程度的量度。②如果系统与环境之间只有能量的交换而不进行物质交换的系统，可称之为封闭系统，如地球就是一个封闭系统，除了与太阳有能量交换外而没有物质交换（除过忽略落到地球上的流星陨石和宇宙尖埃）。③开放系统是指系统与外界环境既有能量的交换又有物质的交换的系统。如生物系统、社会系统、生产系统、交通系统、电力系统等，都是开放系统。人体是开放系统中最复杂、最优化的系统。
（四）平衡态系统、近平衡态系统、远离平衡态系统
这是以系统所处的状态为标准而划分的。
①如果系统在排除环境因素的条件下，内部相互作用的各个方面都处于相对静止状态，即内部无差异，就称之为平衡系统。例如：如果一个物质系统内部温度均匀并与外界温度相等，那么这个系统就是一个热力学平衡系统（无序平衡）。②如果一个物质系统内部的要素分布稍有差异，但这种差异不足以使系统产生状态改变，如：人体的发烧低温状态，系统内部或外部存在着小涨落因素等，这个系统就是一个近平衡系统，它没有超过系统稳定所允许的临界点。③远离平衡态系统是指内部要素分布差异显著，从而使非线性作用表现出来的系统，如：热传导系统的最初状态；生产力分布系统。
（五）线性系统和非线性系统
这是按系统内部各要素相互作用的特点来划分的。①当系统的输入或初始状态能够线性叠加时，系统的输出也能够线性叠加时（即在y=ax式中，系统能满足：y=y1+y2, x=x1+x2），或者说如果系统中要素的关系具有单向因果链条的系统就称该系统为线性系统。②如果系统中存在着自催化、正反馈之类的非线性相互作用，不服从叠加原理（即在y=ax 中x≠x1+x2、y ≠ y1+y2时），则称该系统为非线性系统。
（六）黑系统、白系统和灰系统
这是按照人们对系统认识的程度来划分的。
①黑系统是指人们对系统内部的要素、结构、特性和功能等一无所知的系统。例如：某些天体，某些曾未纳入研究领域的客体。②白系统是指人们对该系统的各种要素和结构以及特性和功能了解的很清楚的系统，如：仪器、设备等系统；③灰系统是指人们对系统内部的要素、结构特性和功能的认识若明若暗，或有一定程度的了解，但还有需要我们去再认识的东西。如：肿瘤系统、人体系统、地球系统等。在这里，黑、白、灰系统是相对而言的。如：白系统中也可能以后还会存在着没有认识的内容。
三、系统整体与部分的关系
整体与部分是物质系统的一对重要范畴。在自然界中，由于系统整体与部分之间的相互联系、相互作用的方式和性质不同，因而两者的关系及性质也就不同。下面三种情况则是物质系统中普遍存在的关系：
（一）整体与部分的相互制约关系
一方面，整体由部分组成，整体必然依赖于部分。整体中的每一个部分的性质和行为都会影响到整体的性质和行为。例如：人体某一器官的病变都可能引起机体整体的行为状态的改变。另一方面，部分离不开整体，部分是整体中的部分，必须受到整体的控制和支配。部分如果离开整体，其性质和功能就将消失。如同黑格尔所说，割下来而离开人体整体的手，就失去了它存在的意义和价值，只有作为机体的一部分，手才能获的它应有的地位和功用。可见，部分是隶属于整体的，离不开整体的。
（二）整体与部分的加和性关系
贝塔朗菲认为加和性关系是指：“一个复合体能够把原来分离的要素通过集合拢来的办法一步一步建立起来；反之，复合体的特征能够完全分解为各个分离要素的特征”。尽管系统不是部分简单加和的复合体，但系统中确实存在着加和性关系。例如：①一个宏观物体的质量总是它的各部分质量和总和；②某一分子体系的分子质量总是其各个组成部分即原子质量之总和；③化学反应系统的总质量等于反应物、生成物和中间产物质量的加和；④力学系统的总能量等于各部分动能和势能的加和。
（三）整体与部分的非加和性关系
非加和关系主要是指部分组成整体后，便出现了部分所没有的性质、功能和规律，同时又丧失了其组成部分原有的某些
性质、功能和规律。例如，当氧原子与氢原子结合形成水后，便产生了其组成部分氧原子和氢原子所没有的常温下是液体的性质；同时又丧失了其组成元素氧的助燃性质和氢的可燃性质。总之，部分组成整体后，整体会有新质的突然出现，而部分的原有性质可能会突然消失或受到某中限制。所以，整体不等于部分之和或整体大于部分之和，而这种新质或整体大于部分之和，是靠系统整体内部各个要素之间的相互作用（非线性机制）来实现的。
二者关系：系统整体与部分的加和性关系与非加和性关系主要取决于构成系统的要素之间是否具有相干关系。相干关系是一种耦合关系。在这种关系中，耦合各方（要素之间）经过物质、能量、信息的交换而彼此约束和选择、协同和放大。①约束和选择意味着耦合各方自由度的减少乃至部分属性的丧失；②协同和放大意味着各方在一种新的模式下协调一致地活动，其原有的要素的某些属性可以被拓宽放大，它们交错重叠在一起，共同导致整体属性的形成。
实际上，加和性关系和非加和性关系反映的是系统内部各要素之间的耦合情况。①如果各要素或子系统之间不具有耦合相干关系，也就不会改变各个要素的某种属性，那么从这种关系上讲，部分对整体是可加和的；②如果各要素或子系统之间具有耦合相干关系，彼此之间通过约束、选择、协同、放大在整体水平上产生新的特性和功能，那么从这种关系上讲部分对整体是非加和的。
第三节自然界的层次结构
一、层次结构的基本特点和意义
（一）层次结构的含义
对于一个特定的系统：①如果往上看，它是属于更大系统的组成部分；②如果往下看，构成它的部分同样有其组成部分，而这些组成部分都有其特定的结构和功能，因而也是一个系统。由此可见，系统是具有等级性、层次性或相对性的。系统观念内在地包含着层次观念。
由此可知，层次结构是指由若干要素组成的并具有相干关系的系统，再通过新的相干关系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次系统或子系统，构成后的系统称为高层次系统或母系统。如基本粒子构成原子核；原子核和电子构成原子；原子构成分子；分子构成宏观物体系等，就是一种逐级构成的层次结构关系。
（二）层次结构具有以下两个主要特点
1. 低层次系统对于高层次系统具有构成关系；反过来高层次系统对低层次系统具有包含关系。所以，低层次系统必然成为高层次系统的基础和载体，而高层次系统必然依赖于低层次系统同时又控制制约着低层次系统。
层次结构关系在纵向上具有分层排布的特性，但各层次之间如果不具有构成和包含关系，则不属于层次结构关系。例如：地球系统中的地核、地幔、地壳是分层排布的，但不能看成层次结构关系，因为地壳并不包含地幔、地核。反过来讲，地慢和地核并不构成地壳。又如：组成大脑新皮质的六层细胞（分子层、外颗粒层、外锥体细胞层、内颗粒层、内锥体细胞层、多形细胞层），都不能看成是层次结构关系。
2. 同一层次的系统间存在着相干关系。同一层次的各种系统（或子系统或要素）只有通过相干耦合，彼此约束和选择、协同和放大，才能构成具有特定功能的高一层次的系统。如果不存在相干关系而只有单纯的加和关系，这些系统只能凑合成象一盘散沙那样的堆积物
（三）研究层次结构基本特点的意义
1. 层次结构的构成关系和包含关系是物质系统间的纵向关系。这种关系的存在表明，一个复杂的物质系统往往具有多级结构、多级功能、多级环境。这就要求我们对于一个系统特别是复杂系统进行认识、研究、控制时，或设计一个复杂系统时，不能只局限于某一个层次，而必须多层次、多结构、多功能、多侧面、多角度地进行分析和综合研究，把对部分的研究和对整体的研究结合起来。例如，对于生命机体癌变的研究，就不能只在某一个层次上进行，而是既要在分子层次、亚细胞层次、细胞层次、组织层次、器官层次、个体层次上进行，也要在种群层次、群落层次乃至整个生物圈层次上进行考察。这种多层次分析和多层次综合的研究方法是当代自然科学研究的一个重要的思维特点。
2. 同一层次各系统间的相干关系是物质系统间的横向关系。由于这种关系的存在，才导致了纵向层次间质的差异。随着每一个新物质层次的形成，总会有新质的突现和新功能的问世。因此，在研究系统时，必须着力探索各组成部分通过什么方式、途径发生相干耦合，如何形成优化了的结构和功能。
二、自然界的基本层次
（一）非生命界的物质层次
非生命界的物质层次结构可分为微观、宏观、宇观三个基本层次。
1. 微观层次。其空间尺度（space size）小于10-6厘米，质量应小于10-15g，包括夸克（层子）、基本粒子、原子核、原子、分子。微观客体具有波粒二象性，服从基本粒子物理学、原子核物理学、量子力学、量子场论和量子化学规律。
（1）夸克层次。夸克是微观系统也是现代科学所认识到的最低层次。20世纪60年代，美籍理论物理学家，犹太人盖尔
曼指出强子（参与强相互作用的中子、质子和超子、介子等）是由三种夸克（上夸克、下夸克和奇异夸克）组成。70年代后，随着一些新粒子的发现，美国科学家格拉肖还提出了粲夸克、顶夸克和底夸克的概念。虽然目前还没有把夸克分离出来，但理论和实验事实都证明它是存在的。
（2）基本粒子层次。基本粒子是比夸克高一级的物质层次，包括：电子、质子、中子、光子、中微子及各种介子、超子和共振态粒子等。目前实验已经发现并确认的基本粒子有400多种。基本粒子的空间尺度均小于10-13厘米，质量小于m<10-23g。基本粒子之间的相互作用力有强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。每一种基本粒子都有与其相对应的反粒子，反粒子和正粒子在质量、平均寿命等方面都相同，所不同的主要是带电符号，如：电子（e-）和正电子（e+）。基本粒子之间可以相互转化。（如正负电子对可转化为光子）。
（3）原子核层次。原子核是原子的核心部分，由质子和中子组成，平均尺度为：10-23—10-12厘米，质量为：10-23—10-21g，原子核虽然只有原子体积的10-6—10-5倍，但其质量却占了原子质量的99.9%以上。由于原子核内存在着一种强相互作用力，所以原子核具有很高的稳定性，在一般的化学反应中不会发生任何变化。
（4）原子层次。原子由带正电的原子核和带负电的绕核运动的电子构成。其质量为10-33—10-21g，空间尺度为10-8—10-7厘米，是自然界物质形态的基本化学单位。
（5）分子层次。分子是微观层次中最高的一个层次。是物质中能够单独存在并保持其化学性质的最小微粒。其质量为10-22—10-15g，空间尺度为10-8—10-6厘米。
2. 宏观层次。其尺度为10-6—1014厘米，质量为10-15—1035g，它包括从布朗微粒（英国植物学家于1827年提出，悬浮在液体或气体中的微粒，直径是10-3厘米作无休止的不规则运动）到地球上的物体再到小行星、卫星（包括地球）等物质系统。宏观层次的运动规律用牛顿力学、麦克斯韦电磁理论、热力学及经典化学的规律描述。
3. 宇观层次。它包括恒星、星系、星系团和总星系等物质层次。宇观系统的运动需要用广义相对论，星系（天体）动力学和现代宇宙学来描述。
（1）恒星层次。恒星是能够自己发光的天体，一般由炽热的气体组成。恒星与绕其旋转的行星、卫星组成恒星系。太阳是我们熟悉的一颗恒星，质量约为地球的33万倍，体积是地球的130万倍，中心温度为1500万摄氏度，表面温度约6000摄氏度。太阳系有九大行星（水、金、地、火---类地行星; 木、土---巨行星;
天王、海王、冥王---远日行星），月亮是地球的卫星。九大行星的公转轨道具有：共面性、同向性（逆时针）、近圆性的特征。
（2）星系层次。星系是庞大的恒星系统，它是由恒星、恒星团（由三五成群甚至成千上万的恒星聚集而成的恒星集团）、星云和星际物质组成的天体系统。其平均质量大约为太阳的1000亿倍，典型的空间尺度约为3万光年（1光年=94605亿公里≈10万亿公里）。太阳系所在的星系是银河系（银河系就是一个星系），银河系的以外还有许许多多星系，称为银河外星系。
（3）总星系层次。总星系是由许许多多的星系、星系团组成，是我们现在所能观察到的最高层次的天体系统，其尺度约为150~200亿光年，总的质量为2×1055g。随着探测技术手段的进步,总星系的尽度将不断扩大。
（二）生命界的物质层次
生命界按其结构和功能特征，可划分为生物大分子、细胞、生物个体、群体、群落和生态系统等层次。
1. 生物大分子层次。主要指蛋白质和核酸等，它们是生命的物质基础。分子生物学的研究表明，蛋白质基本上是由20种氨基酸组成，这些氨基酸由于排列组合不同，形成各种不同的蛋白质。生命的存在不仅取决于蛋白质的有无，而且取决于各级结构的完整性。蛋白质是生命功能的主要体现者。核酸是由4种核苷酸组成的，是生命的物质基础之一，它参与生物体内蛋白质的合成，也是遗传信息的主要携带者，对生物的生长、繁殖、遗传、变异等起着决定性的作用。（生物大分子由氨基酸、核苷酸、嘌呤、卟啉、嘧啶等生物小分子组成，）
2. 细胞层次。细胞是生物体形态结构和生命活动的基本单位。一个典型的真核细胞是由被称为亚细胞结构的细胞膜、细胞核、细胞质三大部分组成的。亚细胞结构是由脂蛋白、核蛋白、多酶系统等各种超分子复合物集合而成的。
3. 生物个体层次：①生物个体是一个复杂的系统，构成生物个体的最基本单元就是细胞。如人体细胞在结构上形形色色，在功能上千差万别。构成人体的细胞有几百万亿个。②细胞和细胞间质结合起来，构成了人体中的各种组织。③这些组织的不同配合，构成了具有特殊形态和功能的器官。④一个器官仅能完成一定的功能，许多器官结合起来就构成完成某一特定功能的子系统。⑤由于每个子系统的功能不同，因而人体又分为几大系统。⑥这些系统间相互协作，从而构成了有机的生命体——个体系统。
4. 群体层次。群体又叫种群，是由许多同类生物个体组成，具有一定的结构和功能。群体是物种存在的基本单位，也是物种繁殖的基本单位。任何种群都有一定的出生率和死亡率，有一定的密度，有一定的性别比例，等等。
5. 群落。是由几百个种群构成的系统。它们之间往往形成食物链，互相作用，互相依赖，而保持着自身的稳定性。
6. 生态系统层次。生态系统是由生物群落及其赖以生活的无机环境（阳光、大气、土壤、水分等）共同组成的物质、能量、信息的转化和循环系统，是生命界的最高层次。或者说，生态系统是由无机环境和有机的植物、动物、微生物共同组成的，具有生产、消费和分解功能的一个巨大的循环系统。其中：①植物是生产者，它将CO2和水等无机物通过阳光的辐射（照射）即光合作用而合成为葡萄糖、淀粉等类有机物，供动物食用；②动物是消费者，它一方面通过摄取由植物转化来的有机物，另一方面通过食物链（食肉动物）而维持生存，并且也排泄和残留有机物；③微生物是分解者，它把动植物生产或遗弃的有机物质分解或还原为简单的化合物和元素，再度供植物吸收利用。由此构成了整个生命界的生态系统。
三、层次结构关系的基本规律
（一）层次结构的结合能与层次尺度成反比的规律。层次结构的基本特点（构成、包含、相干关系）决定了各层次要素间结合能的不同。层次越低、层次的空间尺度越小，其要素间的结合能越大；层次越高，层次的空间尺度越大，其要素间的结合能越小。相应地要对一个特定的层次系统进行分解，层次越低，需要的能量就大，层次越高，需要的能量就越小。例如，要破坏一个原子核所需的能量需提供106电子伏特；而要把处于基态的氢原子中的电子电离出来，仅需要13.55电子伏特的能量；而要使一个高分子解体为小分子，则需要1电子伏特的能量。
（二）高层次系统和低层次系统具有双向因果关系
层次结构的基本特点也决定了高层次系统和低层次系统之间存在着双向的因果关系。一方面，低层次系统作为高层次系统的基础和载体，经过低层次系统之间的相干和耦合，约束、选择、协同和放大，在高层次系统层面产生特定的特性和功能，构成了向上的因果关系；另一方面，高层次系统对低层次系统具有控制、支配的作用，使低层次系统之间通过协调相干，服从于高层次的目标和要求，构成了向下的因果关系。因此，双向性因果关系既造成了系统层次之间质的差异性，也沟通了层次之间的联系。
第四节物质系统的稳定性和可变性
一、物质系统的稳定性
稳定性是系统的一种基本属性，也是任何一个系统所追求的目标，它是指系统的结构和功能在涨落（涨落是系统状态量对其平均值的偏离）作用下能够保持其恒定性或不变性。换言之，说一个系统是稳定的，是指该系统能够维持自身质的规定性，使涨落引起的量变（涨落有大、小涨落，有内、外涨落）不会超出临界点而引起系统的质变。
事实上，任何系统内部都存在着某种随机涨落，因为组成系统的要素的性质，要素之间的相互作用的关系以及系统所处的外部环境，总是处在不断的变化之中。这些变化对系统带来的干扰，必然导致系统在其目标值（结构和功能的稳定）附近发生摆动或偏离。这种系统的状态对其平均值（目标值）的偏离称为涨落。如果一个系统不能承受任何涨落，那么它将随时经由过渡状态而解体，并产生新的结构和状态；反之，如果系统在涨落出现后能够回复自身原来的状态，则该系统将继续稳定地存在下去。
由此可见，稳定性作为系统的一种基本性质，是相对于系统的某种状态而言的。按照系统对涨落应答的不同程度，可把系统的状态分为：不稳定状态、亚稳定态和恒稳态。
1. 不稳定状态是指系统在涨落作用下会解体的状态。
这种状态下的系统不具有抗干扰能力，即便是一个微小涨落引起的偏离也会被迅速扩大而形成巨涨落，从而使泛系统一去不复返地离开原来的状态而解体，就像放在光滑平面上的鸡蛋经受不起轻微的扰动一样。对于一个弱不经风、处于垂危的病人同样经受不起轻微的扰动。
2. 亚稳态是指系统在一定范围内对涨落保持不变的状态。
这种状态下的系统具有一定的抗干扰能力，如果涨落引起的局部偏离没有超过系统所要求的范围，系统将会较快地回复到原来的状态而保持稳定；但如果涨落超出了系统稳定所要求的范围，系统则会离开原来的状态而解体。例如：人体的温度、血压、心率等都是有一定的参量范围，如果超过了恒定的稳态范围，将会威胁甚至导致人的生命安全的不复存在。自然界大部分系统都属于亚稳态系统。如：生态系统只要不超过自然再生能力范围则是一个稳定的系统。
3. 恒稳态是指系统对涨落保持不变的状态。这种状态下的系统具有很强的抗干扰能力，系统中发生的任何偏离、涨落都会被收敛平息，从而使系统的运动表现为向原来状态的自发回归。如：处于平衡态的热力学系统就是如此，无论什么原因造成的温度差异、密度差异、电磁属性差异等都不会影响热力学系统的稳定，最终都会使它的熵保持最大的状态，即混沌无序的恒稳状态。又例如，处于基态下的原子，无论什么原因造成的电子激发，均会通过光子的辐射而自发回归到原来的基态。
第三章自然界的演化发展
恩格斯讲：“自然界不仅存在着，而且生长并消逝着”。普利高津也说：“存在和演化并非是彼此对立的，它们表达出现实的两个有关方面”。所以，要全面、深刻地理解科学的自然观，不仅要把握自然界的存在方式，而且要进一步讨论其演化发展的过程。
第一节自然界的历史性
一、自然界的历史观
①在古代哲学家那里，就一直把自然界看成是一个有生有灭的历史过程。
②到了近代的前半期（16世纪初—18世纪中叶），由于力学是当时的带头科学，发展比较完善，而其它自然科学则处于分门别类、收集资料的阶段，所以，经典力学中的一些概念、原理、方法就成为其它自然科学借用的对象。因此，这就自然形成了对自然界发展演化的另一种看法：即：孤立的、静止的、片面的形而上学的机械自然观。
③人类真正能够把科学引入到自然界的演化发展过程则是到了18世纪中叶以后的事情。康德关于太阳系起源的星云假说，第一次科学地阐明了太阳系是在时间进程中逐渐生成的。这个刚刚萌芽的辩证法的观点，对于形成自然界发展演化的历史观做出了最初贡献。继康德之后（19世纪），地质学家赖尔（英国，1797~1875年）把历史演化的观点带进了地质学，分别与1830、1831、1833撰写了《地质学原理》的第一、二、三卷，书中提出了地质渐变论的思想。这个学说使人们相信，不仅整个地球，而且生活在这个地球的生物也都有时间上的历史性。
所以，赖尔的地质渐变论观点对达尔文（英国博物学家，进化论的奠基人，1809-1882年）的生物进化论理论的形成有很大帮助，1859年，达尔文出版了《物种起源》一书，提出了生物进化论，揭示了整个生物界的历史性。1958年，马来半岛的年轻生物学家华莱士（1823~1913）写信并寄来论文《论变种无限地离开其原始模式的倾向》于达尔文，若有价值请转交赖尔发表。1842、1844年达尔文已写出了《物种起源》的提纲，一直未发表或成书出版。华莱士的来信对达尔文打击很大，几乎与他的思想完全一样，这是对他20多年研究成果的挑战。后来赖尔提出二人的研究成果同时发表，并催促达尔文抓紧时间撰写他的《物种起源》一书。当然，达尔文与赖尔的交情很深，彼此了解其研究领域和研究成果。
同时，1848年汤姆逊、1850年克劳修斯分别提出了热力学第二定律：热不能从低温物体传到高温物体，从而揭示出孤立系统会自发从非平衡态走向平衡态，从而达到熵最大值，且具有不可逆性，这表明了某些非生命系统的历史性。此外物理学中的能量守恒和转化定律（热力学第一定律）的发现，化学中用普通化学方法由无机物合成有机物的成功，都从不同测面揭示了自然界的历史性。
但是，从科学的整体状况来看，依然存在着两个方面的矛盾：其一，牛顿经典力学的框架并未受到触动，而且在这个框架中并没有历史性观念（即演化发展）的地位，这与生物进化论和热力学第二定律关于自然界的发展具有历史性的思想是相矛盾的；其二，生物进化论所体现的进化历史观与热力学第二定律所体现的退化历史观相矛盾。
在这种科学思想既有重大进步，又有明显矛盾的历史条件下，恩格斯敏锐看到了生物进化论等科学成就的重大意义，反复强调要把自然界看成是一个过程，认为世界不是一成不变的事物的集合体，而是过程的集合体。所以，恩格斯讲：“从这些成就来看，自然界也有自己时间上的历史性，天体和在适宜条件下的存在于天体上的有机物种一样是有生有灭的”。
19世纪末20世纪初以来，随着三大发现以及相对论和量子力学的产生和发展突破了牛顿经典力学的框架，虽然相对论和量子力学也没有历史性（演化发展）的观念，但把广义相对论应用于宇宙学的研究却促进了大爆炸宇宙论和暴胀宇宙论的产生，按照这些假说，我们今天所观测到的宇宙（总星系）是在剧烈的膨胀和收缩、吸引和排斥的作用下产生和演化起来的，宇宙中目前所存在的一切既是演化的产物，也是演化中的一个阶段，这就把康德关于星云假说的思想推进到一个新的高度。
另外，在以耗散结构理论、突变理论、协同学说等为代表的非平衡系统自组织理论出现后，在不违反热力学第二定律（熵增原理）的前提下，非平衡系统可以在一定条件下经历从无序列有序，从低序到高序的演化过程，这为解决进化历史观和退化历史观提供了科学依据，从而在当代科学的水平上深化了自然界的历史观。
二、自然界的演化过程
现代自然科学对自然界的研究，在宇宙的起源和演化；恒星的起源和演化；地球的起源和演化；生命的起源和演化等方面，取得了令人信服的成果。自然界演化发展的历史观为日益增多的科学观测事实所证明，从而更加深化了人们对自然界演化过程的认识。虽然现代自然科学还没有把自然界演化的所有细节都弄清楚，但根据已确认的科学事实和某些得到较多事实支持的假说，可以对自然界的演化过程作如下描述：
（一）宇宙的起源和演化
这里所说的宇宙，是指距离我们地球约200亿光年的总星系，因而这是一个有限的宇宙。有关宇宙起源和演化的假说很多，但能够解释较多事实，获得一定观测事实支持的，是1948年美国物理学家伽莫夫提出的大爆炸宇宙论，以及由此而发展起来的暴胀宇宙论。按照这两个学说，宇宙起源于一个极高温、极高密状态下的“原始火球”，是通过大爆炸或暴胀的方式产生的，其温度是由热到冷逐渐降低。他们认为，在宇宙演化的极早期，宇宙经历了按指数规律急剧膨胀的阶段，这个阶段大约持续了10-32秒，使宇宙增大了大约1050倍。在暴胀阶段结束时，产生了夸克、轻子之类的最基础的基本粒子。宇宙增大约1050倍和大量基本粒子的产生是宇宙形成的标志。按照大爆炸宇宙论和暴胀宇宙论的描述，宇宙的演化经历了以下几个阶段：
1. 基本粒子形成阶段：①当宇宙时为10-6秒时，最活跃的是强相互作用的强子，包括介子、质子、中子、超子等生成，这被称为强子时代。②当宇宙时为10-2秒时，宇宙进入轻子时代，从而产生了电子、μ子、中微子等三种轻子。基本粒子形成阶段的主要特点是：粒子的分解和正反粒子的湮灭（如：中子衰变成质子并释放出电子和中微子；电子和正电子相遇湮灭而生成光子）。由于这两个反应是不断进行的，因而产生了大量光子和中微子，以至当温度降到1016K时，导致光子（辐射）占优势，于是宇宙演化进入下一阶段。
2. 辐射阶段或核合成阶段。这个阶段从宇宙时为1秒开始，持续到104年。在这个阶段宇宙演化有两个特征：一是幅射占优势（大量光子产生）、实物只占次要地位；二是当温度下降到109K，宇宙时为1-3分钟时，开始核反应，即核合成（聚合反应）阶段，形成化学元素。这时由于核反应使中子和质子失去了自由存在的条件，二者进行核反应形成了氘核（D），进而形成氦核（He4）。核合成结束时，氦核的含量按质量计算约占25%～30%，氘核占1%，其余大部分是氢核。在这个阶段，随着空间的不断膨胀，到了某一时刻，实物密度占了优势，宇宙进入实物阶段。
3. 实物阶段。在宇宙时为104年后，温度下降到约为105K，自由电子开始被原子核俘获，形成稳定的原子。随着原子的形成，宇宙中自由电子逐渐消失，幅射退居次要地位，实物占导主要地位，宇宙中辐射压（膨胀压）的作用大大减少，实物间的万有引力开始起主要作用。在宇宙时为70万年左右时，宇宙中稀疏的气状物质微粒开始形成原始星系。在宇宙时为50亿年时，开始形成第一代恒星。然后第一代恒星爆炸所抛出的物质形成第二代恒星。宇宙形成至今200多亿年的时间，主要属于这个阶段（50亿—200多亿年），即恒星的不但产生和消亡阶段。
支持大爆炸宇宙论和暴胀宇宙论的有以下三个重要的观测事实：①河外星系的谱线红移是宇宙膨胀的重要证据（多谱勒效应和爱因斯坦的预言；从1912年开始，美国天文学家斯莱佛经过长期观察发现河外星系的星云--实际是恒星集团的光谱线普遍存在着向红端移动的现象；1924 ~1929年，哈勃利用威尔逊山的望远镜验证了斯莱佛的发现，并提出了哈勃定律：星系的红移量与它们离地球的距离成正比）；②宇宙中普遍存在的氦的丰度为30%；③K微波背景辐射被证明是大爆炸的遗迹（1964年，贝尔实验室的射电文学家彭齐亚斯和威尔逊发现了K微波背景辐射—黑体辐射波的温度大约是3.5K）。
（二）恒星的起源与演化
关于恒星的起源和演化，目前被广为接受的是弥漫说。该学说认为，恒星是由低密度的星际弥漫物质通过吸引聚集而成的。其演化过程分为四个阶段：
1. 引力收缩阶段。这是恒星的幼年期。在这一阶段，由于引力大于斥力，因而恒星在不断收缩，由引力势能转化而来的热能使温度不断升高。当中心温度达到80万K时，便开始了氢核聚变为氦核的热核反应。但此时的氢核聚变释放的能量还不是恒星的主要能源，恒星向外辐射的光和热能主要由引力收缩提供，故称这一阶段为引力收缩阶段。（收缩）
2. 主序星阶段。这是恒星的成年期。恒星在引力收缩过程中，当中心温度上升到700万K以上时，氢核聚变为氦核的热核反应大规模地进行，并产生出大量能量取代引力势能而成为主要能源。在这个阶段，由于辐射压力（膨胀压）和引力（收缩压）平衡，恒星的体积和亮度稳定，成为比较稳定的主序星，并发出灿烂的星光。恒星一生中在这一阶段停留时间最长，一般为几百万年到上百亿年。太阳正处于主序星阶段，已度过50亿年，还要经历50亿年才能进入下一个演化阶段。（膨胀）
3. 红巨星阶段。这是恒星的老年期。当主序星中心的氢消耗完后，恒星中心重新开始收缩，通过收缩释放的能量一部分使中心温度升高，另一部分则使其外壳膨胀，于是恒星变成又红又大的星体，故称之红巨星。当温度升到1亿K时，便引发了氦核聚变为碳核的反应，逐步生成更重的元素。在这一阶段，恒星停留的时间较短，一般为几千万年到10亿年。像太阳可在红巨星阶段停留10亿年左右。（收缩/膨胀）
4. 高密恒星阶段。这是恒星的衰亡期。这一时期恒星内部核反应停止，能源枯竭，于是恒星在引力作用下收缩成质量不同的各种高密的天体，并依其质量的不同走向不同归宿：质量小的收缩为白矮星，然后演化为黑矮星；质量大的经超新星（2006年美国发现了一颗体积是太阳150倍的超新星爆炸）爆炸后，或经中子星变为黑矮星，或直接坍缩为黑洞。高密星虽然是恒星一生的尽头，但物质演化并不因此而停止，各种高密天体还会经过一定的方式重新转化为星云物质，成为新的演化的起点。恒星就是这样在生死转化的循环中发展变化的。（收缩）
（三）地球的演化
地球的历史与太阳系的演化相关，它是在太阳系形成过程中诞生的，迄今已有46亿年的历史。其演化过程主要经历了以下几个阶段：
1. 地球内部圈层的形成和演化。按照“冷起源说”，现代大多数天文学家认为，地球是由温度很低的弥漫星云物质演化而来的。由于引力势能转化而来的热能，特别是放射性物质的蜕变产生的热能的不断积累，地球内部温度不断升高，当其温度升高到超过铁的熔点而呈熔融状态。在吸引和排斥（放射性物质产生的热能）的相互作用下，地球内部的物质发生分化，以铁、镍等重元素为主组成的物质下沉形成地核，以硅酸盐等较轻的物质上浮形成地幔，地幔进一步分化，更轻的物质从地幔中分离出来，上浮至地表，形成原始地壳。
2. 地球外部圈层的形成和演化。当地球内部进行重力分异时，从而导致了大量气体逸出地表，气体在重力作用下依附于地球的周围，形成原始大气圈。原始大气层的主要成分是CO、CO2、CH4、NH3和H2O等。由于来自太阳的紫外线对水的光解作用和植物的光合作用，原始大气中产生大量氧气。在氧气作用下，原始大气层的成份逐渐变为以氧气和氮气为主要成份的现代大气。随着地表温度的下降，原始大气层中含有的大量水蒸汽凝结成水降到地面，形成原始水圈。后经过长期的地壳形态的变化，原始水圈形成了今天的江河湖海。
3. 地壳运动和海陆变迁。地壳运动包括垂直运动和水平运动两种形式：①从地壳形成到30亿年前（16亿年），地壳主要是以垂直运动为主，大陆下降变为海洋，海洋上升变为大陆和高山，都是垂直运动造成的；②大约从30亿年前开始（30亿年），地壳则以水平运动为主，同时还存在着水平运动支配下的垂直运动。
现代板块构造学说（1968年由法国地质学家勒皮顺提出的，它是大陆漂移学说和海底扩张说的进一步发展）认为，整个地壳可分为若干板块，如：欧亚板块、非洲板块、美洲板块、印度洋板块、南极洲板块和太平洋板块等。这些板块被驮伏在地慢软流层上，随着软流层的热对流而缓慢移动。板块之间相对位置的变动，使大陆产生漂移运动，从而形成了今天的各大洲和各大洋的海陆分布格局。两个板块相互挤压，不仅发生频繁的地震和火山爆发活动，也会导致强烈的造山运动，如印度洋板块与欧亚板块的挤压，造成了喜马拉雅山和其他山脉的隆起和突现。由板块的水平运动支配的这种垂直运动，造成了地球丰富的地貌。
（四）生命的起源和生物的进化
1. 生命的起源。原始大气圈、水圈和岩石圈的形成，为生命的产生创造了物质条件。现代生物学认为，生命是以蛋白质和核酸为主体的多分子体系所构成的。生命起源的本质也就是多分子体系如何形成的问题。目前的科学研究认为，原始生命大约出现在30亿年前，它的起源大致经历了以下三个阶段：
（1）从无机分子到有机小分子。由于原始大气层中含有大量的二氧化碳、甲烷、水蒸汽、硫化氢、氨等无机物分子，在宇宙射线、太阳能、火山能、闪电、陨石碰撞等作用下，生成了氨基酸、核苷酸、糖、嘌呤、嘧啶、卟啉等有机化合物（有机小分子）。美国科学家米勒于1953年所做的模拟实验从而证实了这一过程，仅用8天就产生了5种构成蛋白质的氨基酸。
（2）从有机小分子到生物大分子。有机小分子合成出来后，随雨水汇集到原始海洋中去，经过亿万年的积累，原始海洋就有了含有有机小分子的“营养汤”，当“营养汤”的浓度达到一定程度时，氨基酸和核苷酸等这类小分子，便合成为蛋白质和核酸这样的生物大分子。
（3）从生物大分子到原始生命。在原始海洋中，蛋白质和核酸分子互相结合，形成了由两者构成的多分子体系。在多分子体系内建立了信息传递、控制和调节的新关系，并表现出生命的自我更新、自我繁殖和自我调节等基本特征，这就是原始生命。原始生命是最简单的生命形式，它的产生是生命形成的标志。因为生命是以蛋白质和核酸为主体的多分子体系所构成的。
2. 生物进化。原始生命出现后的生物进化，以动物为例，大体经过了以下三个阶段：
（1）从非细胞到细胞。最初形成的原始生命体，都没有细胞结构。在一定条件下，原始生命在外部分化出了细胞膜，分布在体内的蛋白质演化成原始的细胞器。有了细胞膜和细胞器，原始生命便能有效地控制物质、能量、信息的交换，组织结构上也逐步复杂化，于是就产生了细胞形态的生物体。单细胞形态的出现是生命演化历史上的一次巨大飞跃。
（2）从单细胞到多细胞。早期的生命体，都是以单细胞方式存在着，由于细胞在繁殖时分裂的细胞团没有散开，它们互相结合、共同生活，形成一个细胞群体。当细胞群体内的细胞出现了形态分化和生理分工时，就产生了由多细胞组成的生物体。
（3）从低等生物到高等生物。多细胞生物体的出现，是生命演化历程上的又一次巨大的飞跃。此后，生物体的细胞在形态和功能上的分化愈来愈细，形成了组织、器官和系统，从而构成了完整的统一的生物个体。随着生物体结构和功能的不断进化，多细胞机体对周围环境的适应也愈来愈完善，并使自身得到不断发展。动物的演化发展是沿着从无脊动物到脊椎动物、从脊椎动物到鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类的方向进化的。最后，到距今400万—1000万年前，哺乳动物的灵长类的一个分支——古猿，又分化出了人类（230万年前产生了人类），从而产生了自然界最美的东西——思维着的精神。
第二节自然界演化的方向性
自然界演化有两个方向：熵增加和熵减少，即由复杂到简单的退化（热力学系统）和由简单到复杂的进化（生物系统）。这两个方向都是由不可逆过程的双重作用导致的，即都具有不可逆性。
一、可逆与不可递
可逆与不可逆是自然科学在研究事物变化过程时，用来刻画事物演化过程的概念。
可逆变化是指事物的变化过程可以反转，状态可以回归或系统与环境可以不断回到原来的状态。例如：弹簧复原、单摆运动、小球可以不断回到原来的状态（光滑平面匀速运动）、卡诺循环：经过等温膨胀、绝热膨胀、等温收缩和绝热收缩，
系统可以重新复原。
不可逆变化是指事物的变化过程不能反转，状态不能回归，系统与环境不能恢复到原来的状态。例如：把两种液体放入同一容器，一般都会经过扩散变成某种混合物，从未见过两种均匀混合的液体能自动分开。这种扩散混合现象就是一种不可逆过程。例如：热传导、辐射、电流、热功转换、化学反应、生物发育、种系发生、物种进化等等，都是一种演化过程中的不可逆现象。它们不可能自发回到原来状态。
（一）两种时间，两幅图景
普利高津根据自然界的事物演化过程是否存在可逆或不可逆，把物理学划分为“存在物理学”和“演化物理学”
1. 他认为，“存在物理学”所研究的对象都是可逆的。“存在物理学”主要包括：经典力学、电动力学、相对论、量子力学等。这些学科的特点是：所研究的系统的过程、状态和环境都是可逆的，时间反演是不变的。例如：牛顿力学第二定律：F=m.d2r/dt2 描述了质量为m 的质点在力F 的作用下运动的规律。这里如果把时间符号t 改变为-t ，则方程的结果不变，仍为 F=m.d2r/dt2这就是说，若改变时间箭头，运动规律不变，具有可逆性，系统可以回归到原来的状态。
2. 他认为：“演化物理学”所研究的对象都是不可逆的。“演化物理学”主要包括：热力学（热传导）、辐射、热功转换、化学反应、生物发育、种系发生、物种进化等等。这些学科的特点是，所研究的系统的演化过程、状态、环境等都是不可逆的，亦即时间反演变化，也就是说如果以-t 代替t 则系统的过程、状态、环境要发生变化，不会回到原来的状态。例如，在热力学中存在的热传导傅立叶方程为例：
式中函数T （x ，t ）为在t 时刻金属棒X 处的温度，λ为热传导系数，总是正值。对这个方程进行时间反演，变t 为-t ，方程就成为：
方程的结果与动力学方程中的时间反演不变是不样的，热传导系统时间不是反演对称的，而是反演不对称的，即存在着时间反演变化的情况。所以，热传导系统是不可逆的。
总之，普利高津把具有可逆性的系统称为钟表世界的图景，其时间不具有箭头性；而把具有不可逆性的演化系统称之为演化世界的图景，其时间具有箭头性.
（二）两种时间箭头、两个方向
在演化世界的图景中，又有两种时间箭头，分别是向两个方向发展，即生物学的进化方向和热力学的退化方向。
1. 1848年汤姆逊（1824-1907生于爱尔兰）提出了热力学第二定律，他认为，热不能自动从低温物体流向高温物体，即热传导是不可逆的。1850年德国物理学家克劳修斯（1822-1888）提出了同样的观点，但他把熵这一概念引入到热力学，认为热力学第二定律可表示为，在孤立系统中：其熵总是ds ≥0。熵的本意是系统状态的函数，其实质是一个系统混乱程度、无序程度的量度，在宏观上它表征系统内部能量分布的均匀程度，在微观上它表征系统内部粒子的无序程度。
克劳修斯认为，熵这个概念可以用来描述系统（热力学）的不可逆过程，系统的不可逆过程的外在表现就是熵在增加。按照熵增原理，一个与外界隔绝的孤立系统总是要向均匀、简单并最终消灭系统内部差别的方向发展。克劳修斯把这一原理推向宇宙，得出了“宇宙热寂说”的结论，认为整个宇宙总体上是走向退化，最终达到不可逆的“死寂”状态。热力学第二定律的熵所表述的物理学演化图景，实质上是从复杂到简单、从不均到均匀的一幅退化的自然图景。因此热力学的时间箭头指向退化。
2. 在克劳修斯提出热力学第二定律后不久，1859年达尔文发表了《物种起源》一书，在该书中达尔文系统论述了生物进化的不可逆性。达尔文生物进化论告诉我们，生物的产生和发展是一个从无序到有序、由低级到高级、从简单到复杂的进化过程。这是一幅蓬勃向上的进化图景，生物学的时间箭头是指向进化。
于是便产生了生物学的进化与热力学的退化之间的矛盾。
二、进化与退化
进化一般是指物质系统的演化是由无序到有序，由低序到高序、由简单到复杂的趋势和过程；退化一般是指物质系统的演化是由有序到无序，由高序到低序、由复杂到简单的趋势和过程。
（一）耗散结构理论成功地解决了生物学与热力学的矛盾。
1969年普利高津等人根据大量科学实验及在非平衡自组织理论基础上的研究，提出了热力学的退化趋势和生物学的进化()222).(.x t x T t t x T ??-=??λ()2
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趋势是由同样的规律支配的，即都受热力学第二定律的支配。二者的区别仅在于热力学着重研究孤立系统，而生物学则是一个开放系统。也就是说生物学与热力学只是由于与外界的关系不同，实际上都满足熵增原理。普利高津采用了薛定谔提出的负熵流概念，揭示出了在不违背热力学第二定律的前提下，非平衡系统通过负熵流来减少系统内部的总熵，以维持新的有序结构，即自组织。而这种负熵流是通过与外界进行物质能量交换所产生的。而热力系统只是处于孤立状态，不与外界进行物质能量交换。所以，虽然也是从非平衡达到平衡，但没有负熵流，在系统内部只能是熵的增加。即ds≥0，故也只能是使系统从复杂到简单，从不平衡到平衡，从不均匀到均匀的退化过程。
ds（总熵）=dis（内部熵）+des（外部熵）
①孤立系统：des=0 ds=dis>0 （无序）
②第二开放系统：des>0 ds=dis+des>0 （无序）
③第三开放系统：
des<0 |des|=dis ds=0（宏观结构不变）
④第四开放系统：
des<0 |des|
⑤第五开放系统：
des<0 |des|>dis ds=dis+des<0（有序）所以，只有在第五种情况下系统才能从无序走向有序，它是通过系统与外界的物质、能量的耗散形成新的有序结构。由此看来不论是孤立、开放系统，都满足热力学第二定律，都涉及到熵的增减问题。
（二）进化与退化的共同点
进化和退化都是物质系统的演化过程，二者具有共同点：
1. 自发性特点。进化和退化都是物质系统的自我运动、自我否定、自我完善、自我发展。
2．稳定性重建的特点。
这是指物质系统在演化过程中必然要经过原有状态的失稳，才会进入进化或退化的分支，并经过稳定性重建获得新的结构和功能。
3．离散性特点。
这是说当系统演化进入到某一个分叉点时，系统今后的发展道路可能是退化、可能是进化，也可能是进化方向上的某一个方面，如动物的大脑、四肢等特性功能等。从而导致系统所选择的发展方向与选择其它分支的方向的物质系统的差距会越来越远。重复和相似的概率将会越来越小，这也是不可逆特性的表现。
第三节自然界演化的自组织机制
一、组织与自组织
组织与自组织是非平衡自组织理论的基本概念。①一个系统的要素按照特定的指令形成特定的结构和功能的过程叫组织或它组织。这个特定指令可以来自于组织内部，也可以来自于组织外部（社会、人工系统一般为它组织系统）。②一个系统的要素如果是按照彼此的相干性、协同性或某种默契而形成特定结构与功能的过程称为自组织。自组织不是按照系统内部或外部的人为指令来完成的，而是由于系统内部的自我协同运动（内因）或在外部控制参量（外因）的影响下自发地形成新的有序结构的结果。所谓控制参量是指由系统外部环境所提供的物质流和能量流（自然状态），它是促使系统发生转变的外部原因。
组织和自组织在形式和形态上是一样的，但二者有着一定的区别，①二者产生的动因不同，组织则需要人的能动性和目的性去干预和指挥，自组织则是自发组织起来的，不需要人的干预而自发形成组织。②二者的范围也不同：自组织的范围更广泛，它既是理解宇宙、恒星、地球、生命等“四大起源”的钥匙，又是解决达尔文和克劳修斯的矛盾，探索复杂问题的工具和手段，而组织仅适用于那些社会系统或机器系统等人工系统。
二、系统自组织的条件
按照耗散结构理论和协同学说等非平衡自组织理论，一个系统具备了以下条件就会进入有序状态，形成自组织系统。
（一）系统必须是开放的。
（二）系统必须是远离平衡态。
（三）非线性机制
系统的充分开放和远离平衡态为系统的自组织演化创造了条件。而推动系统向自组织方向进行演化的，则是系统内部各个要素之间的非线性相互作用的结果。或者说，系统内部各个要素之间的非线性相互作用是形成系统自组织的内在依据。线性是指在数学关系中，量与量之间存在正比关系，在函数坐标系中表现为一条直线，或者说它是指系统内部的各个要素之
间具有一定的单向性因果关系。它满足Y=a(X): X=X1+X2 Y=Y1+Y2关系。非线性机制是说系统内部的各个要素之间不满足叠加原理，它们之间的关系不是单向性的因果链条，而是相互交叉作用从而产生相干偶合、相干效应，使系统产生新质。它不满足Y=a(X): X≠X1+X2 Y≠Y1+Y2。
（四）正反馈
负反馈往往会促使系统趋于平衡态的方向发展，而正反馈则会使系统输出的信息放大，从而使系统打破原来的平衡态朝着远离平衡态的方向发展，并推动系统产生新的有序结构和功能或新质，加速系统的自组织形成过程。
（五）涨落
涨落是指引起系统所处状态对系统平衡值的偏离。涨落是任何系统所具有的特性。引起涨落现象的原因一般都是由于系统内部的各个要素之间，系统与环境之间都处在不断的变化过程中所造成的。涨落有小涨落、巨涨落，有外涨落、内涨落。只要涨落超过了系统稳态的临界点，就会使系统进入新的状态，从远离平衡态达到新的平衡态，使系统发生质变，形成新的有序结构。涨落在系统自组织中起着极为重要的作用，系统通过涨落去触发原有旧结构产生失稳，探寻新结构、建立新结构正如普利高津所说“涨落是新的有序之源”。
三、自组织规律
（一）协同规律
任何一个系统，其要素之间都有一个协同作用的规律。用哈肯的话说：“各个部门像由一只看不见的手在驱动排列；另一方面，正是这些个别系统（要素）通过其协同作用又反过来创造了这只看不见的手，我们把这只能安排一切的看不见的手称之为序参量”。自组织过程也就是序参量的产生过程。序参量就是指在系统诸要素、诸变量中，起支配、引导、主导作用的要素或变量。一个系统如果所有的要素或变量都处于同一地位，起同一作用，系统是不会产生有序结构的；只有在诸多因素或变量中，产生了具有影响力和支配、引导作用的要素或变量时，系统才会出现有序结构。反过来，系统的组分、要素，又会在这种有序模式的支配下相互合作与竞争，相互协调，从而建立系统的有序结构。
（二）突变规律
所谓突变就是指系统从一种状态跃迁到另一种状态（系统内部状态通常称为“相”，系统可能出现的状态的数量，就是系统的相数。“相变”就是系统状态的变化），而这种跃迁是由于系统外部的控制参量的变化超过了使系统保持稳定的临界点或阈值，或者是由于系统内部的某一要素的性质或要素之间的关系发生变化所引起的。例如，当温度连续下降到超过一定阈值时，气体就会突然变成液体；铁材料在受到磁化时超过一定范围就会获得磁性，变成磁体。
值得注意的是，突变和渐变是自然界的两种变化形式，在自然界的演化过程中它们是交替进行的，渐变是突变的基础和前提，突变既是渐变的结果，也是新的渐变的开始。
（三）对称性破缺规律
在自然界中存在着许多对称性的事物。如：从镜子中看东西，尽管左右颠倒，镜像变换，但都存在着对称性；一个园盘围绕轴心进行转动，尽管经历了转动变换，但并看不出园盘有什么变动，因为园盘是以轴为中心而对称的；人体的左右两侧是对称的；动物是左右两测对称的；又如：大多数生命系统从低等动物到人类，都具有遗传对称性、形态对称性，以及由抗体产生的抵抗疾病的能力的对称性等各种对称属性。还例如：数学上代数、几何的对称性，物理学上有置换对称性，时空变换对称性（实验不随时间、空间变换而变化），生物种有生物大分子的对称性，建筑艺术和装饰图案的对称性等。这就是说，事物、现象、过程、规律在一般变换条件下的不变性，这叫做对称性。
但是，一般来讲，任何事物、现象、过程和规律既有对称性，也具有非对称的属性。如：动物虽左右对称，但仔细观察仍有不对称的因素，即不完全对称，而且其上下、前后不对称；另一方面，在过程和规律中，有些有对称性，有些具有不对称性。如：生物既有遗传特性，又有变异特性，有些规律既可遵守，但有时也可能会被新的事实所修正、否定等等。这些都是事物现象在其发展过程中的对称性破缺。整个自然界的演化，从宇宙、恒星、地球到生物的进化演化，再到基本粒子的生成和湮灭，都遵循对称性破缺的规律。正是由于这种对称性破缺规律的存在，从而才使自然界的演化的物质形态，千姿百态、各种各样。所以，我们可以看出，自然界的存在和演化是对称性和不对称性的辩证统一。
第二篇科学技术系统
第一节科学技术的性质和结构
一、科学和技术的含义
科学是关于自然、社会、思维领域的知识体系。它是人类对自然界、人类社会、人类思维三大领域认识成果的总结和概括。它是一种知识形态、观念形态的东西，是人们对于客观世界的正确反映。自然科学的目的在于认识自然界，探索自然界各种事物的本质和属性，探索自然界各种事物之间的相互关系，探索自然界各种事物运动、发展变化的规律。它着重回答自然界是什么？为什么的问题。
从内容上讲，可分为以下几个方面：①发现了新的物质实体；②发现了某种物质的新特性；③发现了物质实体的要素构成及层次结构；④发现了物质实体要素之间的新关系；⑤发现了物质实体运动｀变化的新规律。
从形式上讲，其成果主要是：科学概念、科学原理、科学定理、科学定律、科学命题、科学假设等理性的东西。这就是我们平时所说的科学创新。
技术是人类为了实现某种需要而在改造、利用和控制自然的过程中所创造的各种工具、手段和方法的总和。它主要回答“做什么？”和“怎么做？”的问题。
二、科学和技术的性质
1.自然科学的性质和特点：
①它是一种潜在的生产力。它主要通过渗透到劳动者｀劳动工具｀劳动资料｀生产管理等生产要素中，实现向生产力的转化。
②它是一种特殊的意识形态。第一，它不依赖于特定的经济基础，不为特定的经济基础服务（上层建筑意识形态）；第二，它没有阶级性；第三，它不分国界、无禁区、无专利。
2. 技术的性质和特点：
①技术是一种间接或直接的生产力。（间接:发明创造；直接:技术创新）
②技术是一种精神要素（技术原理、技术知识、技术经验）与物质要素的统一。
三、科学技术的结构
科学技术体系结构
1. 自然科学（基础科学）是对自然界本质、特性、形态、结构、关系、规律等进行认识和探索的学科，它着重回答自然界的事物本身“是什么”以及“为什么”等问题。
2. 技术科学（应用科学）是在自然科学的基础上，运用自然科学中的研究成果为创造新技术、新产品、新工艺、新材料、新方法所进行的基础性技术（共性技术：如基因切割、重组原理；激光技术原理等）的研究。它主要研究某一特定领域的一般性技术科学原理，揭示同类技术中共同的规律（同类技术的一般规律和原理，如电子学原理、计算机原理、机械制图原理、诊断学原理）。主要通过发明创造和原理推论提炼而得出（即科学原理初露出来的技术端倪），它着重回答“做什么”“怎么做”的问题。
3. 工程技术是更接近于生产的技术层次，它综合应用自然科学、技术科学及其它相关知识，具体研究各种专业生产的设计、施工、研制中的技术问题，为专业生产提供指导。它是通过技术集成，以造物为目的，它主要是指一些要素众多的大的工程技术项目（如基因工程技术、电子工程技术、机械制造工程技术、自动化工程技术、空间工程技术等）
4. 技术创新是一个复杂的过程。什么是技术创新：它是根据社会的需要和市场的需求，从某种新思想的产生，到产品的构思、设计、试验、试制、鉴定、生产、和市场销售的一系列经济活动。其实质是将新技术所具有的新观念、新设想、新方案和新模型产品化、商品化，并在市场上获得成功，从而最终实现科技成果转化为现实的生产力。它是科学技术向生产力转化的重要形式，一般需要经历以下几个阶段：
①调查研究，确定创新项目（市场需求、同行竞争、技术支撑）；②技术目的确定；③项目论证：包括研发产品的社会政策、法令、生命财产安全、环境生态、伦理等问题；④构思技术原理；⑤提出产品的设计方案（CAD技术）；⑥技术试验和产品的试制阶段；⑦技术鉴定：研发产品的技术可靠性、先进性、适用性、经济性等。⑧为大规模生产作准备，制定具体的实施方案，选择或研制适用的生产工具、仪器、设备和生产流水线（CAM技术）；⑨在完成设备、工艺、工程安装的配套工作后批量生产；⑩新产品投入市场阶段。市场创新：开拓市场、引导市场；售后服务。技术创新尽管也是以造物为目的，但它主要是指一些小的工程技术项目。
第二节科学技术发展的动力
一. 科学发展的动力
1. 内在动力：
a. 科学实践和科学理论的矛盾。
b. 科学理论内部的矛盾运动。
c. 对于同一自然现象由于解释的不同而产生的不同理论、不同观点的矛盾或争论。（光的本质：牛顿粒子说—惠更斯波动说；燃烧现象：斯塔尔燃素说—拉瓦锡氧化说）
d. 继承和创新的矛盾（知识继承的纵与横）
2. 科学发展的外部因素：
①政治：只有民主，思想才能自由
②经济：2005：1.3%；2010：2.0%；2020：2.5%。到2020年科技进步贡献率：60%；对外技术依存度降低到30%以下
③文化：科学精神文化（创新意识、创新精神、创新方法、严谨求实、怀疑批判、冒险精神、好奇心理）
④教育：传播知识、人才培养、知识创新
⑤哲学：唯物、唯心、辩证法、形而上学
⑥宗教：中世纪
二、技术发展的动力
1. 技术创新的内在动力
①技术目的与技术手段
技术目的：在技术上为实现社会某种需要，而对技术发展的方向和技术系统的特性、作用和功能（参数、指标、用途等）所作的一种设定。
技术手段：科学技术发展的水平、社会经济条件、仪器设备先进的程度、发明者的技术知识、创新技能、技术经验等主客观条件。
②技术结构与技术功能：任何一个技术系统都有其技术结构和功能
技术结构：组成某一产品的技术要素构成。信息技术：无线电技术、计算机技术、微电子技术、光纤技术、磁记录技术等组成。
技术功能：技术结构所表现出来的作用和能力。
2. 技术创新的外在压力
企业是技术创新的主体，市场竞争、社会需求是技术创新的外在动力。
恩格斯讲“科学的发生和发展一开始就是由社会生产决定的”。“社会一旦有技术上的需求，则这种需求就要比十所大学更能把科学推向前进”
第三节科学技术发展的模式
一、科学发展的形式和模式
一）形式渐进与飞跃；分化与综合
1、所谓自然科学发展的渐进形式就是科学的进化形式，即科学知识量的积累阶段。这是指自然科学的发展并没有突破原有的科学规范和理论框架，而是在原有科学理论、科学框架、科学范式基础之上对已有科学理论的应用推广、局部新规律的发现、对原有理论的局部修正、补充、完善和深化。
①对已有科学理论的应用推广（牛顿力学中的质点力学）
②局部新规律的发现（欧拉流体—流体力学；伯努力固体—固体力学；拉格郎日多质点系统—分析力学；拉普拉斯天体—天体力学）
③对原有理论的局部修正、补充、完善和深化（哥白尼、开普勒）。
2、所谓自然科学发展的飞跃形式就是科学革命形式。所谓科学革命是指由于人们在观察实验中获取了重要的科学事实或重大的科学发现，从而导致原有科学理论框架、结构和科学观念的重大变革，并形成新的理论框架、结构和科学观念的过程。或者说，科学革命是指包括科学事实、科学理论和科学观念三个基本要素构成的科学知识体系结构的根本性变革。（三次科学革命）
3、所谓科学分化是指从原有学科门类中分离出新的学科或门类的过程和趋势。其结果是由于人们对于某一特定研究领域、某一特定研究对象或某一方面认识的不断深化和拓展，使得原有的自然科学的学科分类越来越精细化，出现了许多新的学科和门类。它反映了人们对于物质世界多样性的认识。（如医学的分化）
4、所谓科学综合是指：把某一特定研究领域分散的研究成果进行综合性的归纳和总结（牛顿经典力学：哥白尼、伽利略、开普勒）；或由原有的几个学科联结成一门新的学科（生医电：交叉性学科、知识增长点、研究新领域、学科空白区）；或把不同的物质运动形式的规律，统一在一个理论中的过程和趋势（系统科学）。其结果是人们获得了对自然界的综合性的知识，它反映了人类对事物运动形式统一性的认识。
分化与综合是当代自然科学发展的重要特点和趋势
（二）当代西方科学哲学关于科学发展的模式：
1、逻辑实证主义的科学发展模式（20世纪20年代，主要代表人物奥地利维也纳学派的维也纳大学教授：施利克、卡尔纳普、赖兴巴赫、亨佩尔等人。他们从培根的归纳主义原则出发，认为科学知识来源于对经验事实的归纳，科学命题的真正意义取决于它得到越来越多的科学事实的证实）
2、波普尔的科学发展模式（四段实模式）——证伪主义（奥地利人，曾在新西兰、英国任教）。20世纪50年代波普尔第一个向实证主义挑战，他认为，科学理论是一个全称命题，不可能通过归纳得到证实，但可用一个单称命题来证伪；科学的发展就是理论不断被经验反驳和证伪的反复过程。
P1—TT—EE—P2
问题（Problem）——针对问题提出许多探索性理论（Tentative Theory）——消除错误（Elimination of Error）形成理论——问题（Problem）
3、库恩的科学革命模式：（美国科学史家，哈佛大学物理学博士） 20世纪60年代，库恩在他的《科学革命的结构》中提出此模式：前科学→常规科学→反常→危机→科学革命→新常规科学……
范式：科学家共同体所具有的理论信念、方法信念、研究传统、理论框架、理论模式等科学观。
①前科学：范式未形成，此阶段科学家根据自己所掌握的事实，各有各的信念和理论观点，处于争论时期。
②常规科学：科学家们经过长期争论形成新的范式
③反常：科学探索中不断发现反常现象，原有范式难以解释
④危机：大量反常现象出现，原有范式发生危机
⑤科学革命：打破原有的范式，提出新的范式
⑥新常规科学：新的范式产生。
4、拉卡托斯的科学研究纲领模式：（英国科学哲学家和数学家，剑桥大学哲学博士）
20世纪70 年代拉卡托斯在研究了波普尔、库恩等人的科学发展模式后，提出了此模式。他认为任何时代的科学理论体系实际上都是一套科学研究纲领，它是一个具有严格内部结构的科学理论体系：
硬核：（基本观点、基本命题）
保护带：（辅助性假设）
启示法：正面启示法——为保护硬核的鼓励性的规定；反面启示法——为保护硬核的禁止性的规定
二、技术发展的形式和模式
（一）技术发展的形式
1、技术的渐进形式是指在技术基本原理不变的情况下的局部性改良。包括一般性的技术发明、技术改造、技术革新、技术综合、技术转移（跨地区和跨学科的转移）等。可总称为技术革新（如内燃机）。
2、技术飞跃形式主要是通过技术革命来完成的。所谓技术革命是指技术在一系列的渐进过程中，由于技术原理的重大突破或技术上的重大发明，从而导致技术体系结构的根本性变革。（三次技术革命）
（二）目前国内外学者提出的技术发展模式：
1、生命周期模式：
初创→发展→成熟→饱和
2、技术的梯度递进模式：
技术先进区域→技术中间区域→技术落后区域
3、技术发展的跃迁模式：某些国家或地区在技术上以较短的时间走完了别的国家或地区在较长的时间走过的技术发展道路。
三、技术创新的模式
1、单向线性模式：
自然科学→应用科学(技术科学)→技术创新（依据一定的自然科学理论研究成果，使之上升到技术平台，进行技术创新：沃森、克里克---内森斯、伯格---现代生物工程技术）。