2023年全国硕士研究生考试考研英语一试题真题(含答案详解+作文范文)_第1页
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1、第五章系统科学思想简介环境系统是具有生物学属性本节讲述的主要内容:这世界到底是什么样的他组织还是自组织系统科学思想怎么来的?发展史系统属性是怎么描述的?基本原理人应该怎样来研究系统?系统的基本规律系统思想对宇宙的解释?宇宙观一、西方传统系统思想1.古希腊的系统思想毕达哥拉斯(约前570约前490),数字体系的和谐代表着宇宙(社会和音乐)和谐,数学关系代表着宇宙关系;豆子故事。德莫克利特(约前460约前361),古希腊原子论的创立者,肯定

2、了系统总是有要素构成的,终极要素构成系统,也决定了系统。亚里士多德(前384约前322),古希腊哲学集大成者,设想了一个球层结构的多层次宇宙,比较完整地描述了‘天旋地静’的宇宙图景。他承认并寻找运动的动力(WHY),即“第一推动”。认为人、生命界、无机自然界都是有目的的;整体大于部分总和。2.近代科学与系统思想哥白尼(1473—1543),对自然界进行以数学为工具的、深入的、细致研究。伽利略(1564—1642),开创了实验和数学的方法

3、,把力学规定为仅仅运动怎样发生(HOW),而不问运动为何发生(WHY),奠定了经典科学的传统。笛卡儿(1596—1650),解析几何,自然界具有统一性的物质世界,上帝的第一次推动使混沌状态的物质微粒形成了旋转运动。著名的命题“我思索所以我存在”、“动物是机器”。“把难题分成尽可能多和必要的部分以便最好的分析加以解决”思想,统治了西方科学350年。牛顿(16421727),世界靠万有引力连接,再加上三定律,物体的运动状态就可以推算了。整个

4、世界是一个秩序井然的机械系统。机械体系的运转不需要上帝,但最终要上帝为这个机械系统上紧发条,做“第一次推动”。莱布尼茨(1646—1716),《单子论》构造了近代自然科学的追求线形规律。反对把有机体与机械等同,原因是神和人技艺上必定存在差别。拉普拉斯(1749—1827),设想了一个全知全能的妖精,把机械决定论表述为理想。近代科学的开创者们所开创的机械系统,最终就不得不被某种(神仙或上帝)系统组织起来,这个系统一旦组织起来,就会永远不变

5、地运行下去。3.德国古典哲学中的系统思想德国古典哲学包括:康德到黑格尔德古典唯心主义和费尔巴哈的人本学唯物主义。康德(1724—1804),自然科学太阳系的星云假说,稀薄物质,经引力和斥力作用,使之旋转最终形成太阳系,宇宙也是一个大的系统,这是一种系统的自组织的宇宙观。黑格尔(17701831),指出系统与要素的内在联系具有历史和层次性、世界是过程的集合体、部分之间存在对立统一竞争。4.马克思(1818—1883)论述整体大于部分总和的

6、基本原理,在社会科学中,应用现代系统方法。恩格斯(1820—1895)预示了系统思想兴起和发展的必然性。二、现代系统思想的兴起1.新的矛盾出现①近代科学以原子论为研究纲领。相信整体事物可以拆分为部分来研究和加以理解;复杂性的事物经过不断的分析就可以归结为简单的东西来加以研究和理解;非线性问题总可以归结为或近似地归结为线性问题来解决。规律性就归结为机械决定规律,如同传统上的牛顿力学的理解,只要知道了质点的初始条件和运动方程,其过去和未来就

7、可以精确求解出来。如时间符号t=t方程不变。对于时间是可逆、对称的,牛顿方程可以决定未来,也可以决定过去。在热力学领域:热力学第一定律,表述了能量的转化与守恒;热力学第二定律表述了能量传递的方向(温度高向温度低)。②现代科技革命以物理学为先导。相对论:低速到高速,相对时空取代绝对时空;量子论:从宏观推进到微观、以间断补充连续;统计力学:从可逆推进到不可逆、以复杂取代了简单,热力学领域。③矛盾表现大量粒子组成的热力学系统的宏观是不可逆的(

8、热力学傅立叶方程),单个粒子的运动过程服从牛顿定律、是可逆的。这种可逆的微观动力学方程和不可逆的宏观运动之间的矛盾。熵增原理,标志着一个孤立的系统总是朝向均匀、简单、消灭差别的方向发展,如果我们把宇宙作为一个系统,总体上应该走向退化,最终达到一个种种物理差别不复存在的死亡状态。进化论:复杂有机体从无机发展而来、进化从简单到复杂。建立在牛顿力学上的熵增原理无法解决此矛盾。原来理论的维护:机械论:纯粹用物理和化学原因来说明生命、生理和心理现

9、象,一种原因只能有一个结果。‘海胆原肠胚’实验,半个‘原肠胚’可以发育成一个完整的幼虫(按机械论理论应该发育成不完整的幼虫)。维护现有的科学体系,做如下解释解释活力论:生物体内有超物质(超自然)的活力支配体内的物理化学反应,无机界与有机界存在不可跨越的鸿沟。19世纪,人工合成尿素沉重打击了这一理论。2.新的理论解释贝塔朗菲在20世纪20年代,开始有基于生物学的初步的系统论基本思想:①整体观点,一切有机体都是一个整体,要研究他们的组成部分

10、和要素之间的联系。②动态观点,一切生命现象本身处于积极的活动状态,生命体能保持自身动态稳定的、开放的系统,可以实现“异因同果”。③等级观点,各种有机体都是按严格的等级组织起来,传统方法只各部分、各过程进行研究,而没有包括协调各部分各过程,因而不能完整描述活的现象。3.技术革命的促进:信息和控制美国贝尔公司的‘仙农’1948年发表的“通讯的数学理论”标志信息论诞生。维纳1943年提出控制论的基本思想,在与工程师和神经生理学家一起通过研究自

11、动火炮时,发现了目的性行为可以用反馈来解释,突破生命和非生命的界限,将目的性行为赋予了机器。钱学森1954年《工程控制论》是奠基著作,研究单输入和单输出,以控制和调节为目的;20世纪60年代后,向多输入多输出的多变量系统发展,20世纪70年代后,向大系统和复杂系统发展,称为智能控制。4.科学前沿的对系统科学思想的影响①耗散结构理论——20世纪60年代普里戈金(比利时化学家1917~2003年出生)和他的团队奋斗了20年,在研究近平衡状态

12、的热力学、化学、电学,在1967年提出了“耗散结构”理论:内容:一个远离平衡的开放系统(随便力学、物理、化学、生物、社会、经济),通过不断地与外界交换能量和物质,在外界条件变化到一定界限时,就可能从原先的无序状态转变为在时空上或功能上的有序状态。(给阳光地球就鲜活、苏联解体)系统要能够自发组织起来,形成耗散结构,必须满足:a.系统是开放的(开放才能使系统远离平衡态);b.系统远离平衡态(处于平衡态和近平衡态的系统都不会向有序发展);c.

13、系统内的自催化非线性相互作用,正反馈平衡系统观点往往被看作是破坏性因素,在演化系统演化的建设性因素;d.涨落作用,是驱使系统由原来的稳定分支演化到耗散结构分支的原初推动力。‘死狗不能上墙!’耗散结构理论表述了演化的前提条件:a.非平衡不可逆是组织之源;b.通过涨落达到有序。②突变理论——20世纪60年代托姆(法国数学家,1923年出生)在拓扑学和分析学做结构稳定性研究,和生物学家们进行合作。1972年突变论问世,说明参数的连续改变怎样引

14、起不连续现象。最先提出七种初等突变,发展为更一般的系统的非初等突变。揭示了原因连续作用,可能导致结果的突然变化,使系统的无序与有序的转化的方式和途径的多样性得以理解。“关羽一刀辟了曹操”历史会怎样?荆柯宰了秦始皇又如何?充满突变的世界才是魅力的。表述了系统相变的方式、途径和多样性。③协同学——20世纪70年代哈肯(德国理论物理学家,1927~)的协同学认为,系统性质改变是由于系统中要素(子系统)之间的相互作用引起的。任何系统的子系统都有

15、两种运动趋势,一种是自发地倾向无归无序的运动;另外一种是子系统之间的关联引起的协调、合作运动;系统从无序到有序还是从有序到无序,取决其中那一种运动的趋势占主导地位。用‘序参量’(慢参量)来描述一个系统的宏观有序的程度,以深化对系统演化的内部机制的认识。表述了系统自组织演化的内部机制和动力。“不要被冲锋”④超循环理论——20世纪70年代艾根(西德生物物理学家,1927)和舒斯特尔(理论化学家)合作于1979年出版了《超循环,一个自然的自组

16、织原理》为超循环理论的经典。化学进化和生物学进化之间还有生物大分子进化阶段,随机无序的大分子采用循环形式自组织,发展成有序的组织并向更高的组织和复杂性进化,最终导致生命的起源。催化循环→自催化循环→超循环→发展为更高级的超循环,在一定条件下(如死亡)高层次的循环可以退化为低级的循环。能够自我复制、能将优势突变整合到复制循环中将优先发展。“类生命的系统优先发展”(进化虽然从简单到复杂出现青蛙铁锨却不能)。⑤混沌理论——20世纪70年代美国

17、气象学家、麻省理工学院的洛仑兹20世纪70年代,研究中长期气象预报,发现不可能准确完成具体时间的预报,但提出有意义的“非平衡混沌”理论(平衡态热力学混沌是无序无归混乱的原始状态)。非平衡非线性系统的演化归宿是非平衡混沌(不可详细地预知),从整体上演化是有规律的,而从微观上看系统又不稳定。反映确定的非线性系统具有内在的随机性。在确定的方程中,表现为对初值具有高度敏感性。反应系统自组织的复杂性和发展过程:确定性和随机性的统一。如果回到气象上

18、理解:这就是说可以研究气象的长期规律,无法准确预报长时间后某一天。非常形象地比喻说:巴西亚马孙河丛林里一只蝴蝶扇动了几下翅膀,三个月后在美国的得克萨斯州引起了一场龙卷风。人们把洛仑兹的比喻戏称为“蝴蝶效应”(还记得不稳定层结的气团上升吗)。人工改变气候当然是可能的;但是当你这样做时,你就无法预测它会产生什么后果。蝴蝶渺小,也可能影响整个世界。⑥分形学——20世纪70年代曼德布罗特(美籍法国数学家)1973年正式提出的。无特征尺度系统,却

19、有自相似结构。例如:“海岸线有多长?(用厘米为单位和公里为单位结论差很多,无法确定真实长度)”。自然界许多复杂的物理现象都具有分形结构(海岸、山脉、闪电、雪花、植物构造、肺部结构等),在理想状态下甚至是具有无穷多次的自相似性(指体系经过尺度变换后,其某一特性(标度)不变)。分形学揭示了系统部分和整体的相似性,并试图找到介于有序—无序、宏观—微观、整体——部分之间的新秩序。你的每一个细胞和你都相似。基于上述的历史、近代、现代的种种学科、理

20、论研究,系统的科学思想成为一个瓜熟蒂落的果实。知识蛋多了混在一起,我们只能吃蛋不找是那只鸡下的了。看综合后的系统论,对系统的存在与发展的描述。三、系统论的基本原理(系统什么样)1.系统的整体性各个子系统(要素)一旦组成系统整体,由于他们之间的复杂相互作用,而表现出整体的性质和功能(独立要素所不具有‘双剑合壁、威力大增’)。整体不等于部分之总和(可能大于,也可能小于);实质就是系统内要素间的协调作用使要素不可能被不影响系统性质的情况下被分

21、离出来。系统没有整体性就崩溃了。系统论常用“中观”研究方法,将系统划分为宏观上足够小、微观上足够大的单元,从而沟通宏观和微观、整体和要素而预测演化的宏观模式。2.系统的层次性组成系统的诸要素间的种种差异以及结合方式的不同,从而使要素在地位与作用、结构与功能表现出等级秩序性。层次反映系统内差异等级;如系统中的要素丧失了独立性,系统也变成死寂系统。不同层次具有不同的功能,低层系统要素之间有较大的结合强度,表现为具有更大的确定性(刘胡兰从容就

22、义张国涛投降)。系统发展:非层次发展,极不稳定,稍有扰动就会破坏,所以非层次的发展不可能有大的发展。3.系统的开放性系统的开放(与环境进行物质、能量、信息交换)是系统得以演化、发展的前提,也是系统得以稳定存在的条件。热力学第二定律指出一个彻底封闭的系统,必定成为一个死寂的系统。系统的开放使系统和环境相互作用、共同发展、共同进化。系统开放程度:系统全然开放就与环境融为一体而不复存在。系统的开放主要是靠系统自身的自我调节机制的有条件、有选择

23、、有过滤地向环境开放,使系统既保持一定的自主性,也使系统具有应付环境变化的灵活性。4.系统的目的性系统与环境的相互作用中,在一定范围内,其发展变化不(或少)受条件变化或者途径变化的影响,表现出趋向预先确定的状态的特性。一切有目的行为都是负反馈行为。系统的三种目的性:异因同果型、反馈稳定型以及适应行为型。目的性并非是超自然的力量,而是系统内部复杂的反馈机制在发挥作用的结果。利用系统目的性:当系统处于所需要的稳定状态,力图保持系统的状态,系

24、统不是处于所需要的状态时,就引导现在的系统向预期的状态演化。(河口河道变迁的研究)系统目的性的表现形式:①系统稳定地存在,到达了相应的‘稳定态’以后,还要借助自己的稳定机制而尽量保持处于这样的稳定态;②系统的发展采取会聚式的循环层次增加,向更高的复杂性增长,而且也只有采取这样循环增长的形式,可能有稳定的发展;③系统对规律的遵守。④系统确定性,在一定范围内的异因同果、反馈稳定;或者出现自适应行为完成了系统新的发展阶段;出现新一轮的异因同果

25、(吃无故杂粮长大也一样,喝牛奶也没长成牛)。5.系统的突变性“突变”是在外部条件(控制参量)连续变化时系统的输出状态发生的不连续的改变。例如:多个稳定状态、不可达到或不稳定点组成的区域、突跳(控制参量微小变化引起状态变量的极大变化)、滞后(在控制空间中控制参量沿同一条路线的不同方向变化时,发生突跳的点可能不一样,本来应该在分叉点A发生但是实际上继续运动到分叉点B处发生,滞后现象反映了突变过程具有不可逆性,具有方向性和历史性)。突变:中介

26、态不稳定的相变;渐变:中介态稳定的相变。渐变和突变都可以导致系统质变。突变相关的是分叉和选择理论。突变理论强调临界点的变化的不连续,分叉理论强调的是临界点的多重性和选择性。分叉就意味着获取新系统的不确定性,这种不确定性是由于系统内部的不确定性和环境因素的不确定性造成的。分叉的选择往往具有倾向性,而且可供选择的方式也有一定的限度,‘大数定律’的多数原则也在一定程度上发挥着作用,已经发生的变化对系统的选择也有一定的影响,但是这种影响不是宿命

27、的。“关羽为什么不劈曹操”突变分叉可能使系统继续发展,也可能使系统崩溃。6.系统的稳定性原理开放系统的自我稳定,表现在能够在一定范围内(通过负反馈)自我调节,保持和恢复原来的有序状态、保持和恢复原有的结构和功能。稳定概念:传统的稳定性指平衡态;机械论的稳定:静止和平衡是牺牲自我运动与自我发展的稳定;系统论稳定性是开放中的稳定、动态稳定。稳定性、整体性与目的性是相互联系的。负反馈基础上的自我调节、自我控制、自我稳定是系统具有整体性、目的性

28、和稳定性的根源。7.系统的自组织(动词用法)原理开放的系统在系统内外复杂非线性相互作用下,内部要素的某些偏离系统稳定状态的涨落可能得以放大,从而在系统中产生更大范围的、更强烈的长程相关,自发组织起来,使系统从无序到有序,从低级到高级发展。自组织:系统的运动是自发地、不受特定外来干预地进行。只有开放的系统才有自组织,系统的自组织也包括系统的自发运动、进化和优化。他组织:受外部力量控制而实现有序的,例如‘创世说’就是一种极端的他组织,认为世

29、间万事万物都是上帝(救世主)组织起来的。哥白尼把太阳作为宇宙中心,但是保留了完满的圆形天层和宇宙边缘的原动天;伽利略避免涉及运动的原因,奠定了物理学的基础;但是对于原因终究无法完全回避,导致牛顿不得不把上帝请来做第一推动(那时不知道自组织)。系统的自组织是系统进化的过程。系统自组织进化,体现系统符合目发展。天然系统的自组织演化(优化)是系统与环境相互作用中,通过自然选择实现。人工系统的优化则是人们对于系统优化演化机制认识的基础上对于系统

30、组织和结构设计,包括进行动态的设计,使得被人工组织起来的系统也具有一定的自组织的功能。8.系统的相似性原理系统的相似性:系统之间都具有一定的相似性;系统与其自身的要素具有某种程度自相似(混沌与分形理论);系统的相似性不仅仅指系统存在方式(结构的、几何的)的相似性,也指演化方式的相似性;这是一种有差异的共性。系统的相似度来标识相似程度的大小。一般而言,同一类系统之间,系统相似程度大一些;不是同类的系统相似程度小一些。由于相似性,才出现了功

31、能模拟。四、系统论的基本规律(怎么样研究控制系统)1.结构功能相关律结构:要素之间的相对稳定的联系方式、组织秩序及时空关系等。功能是系统与外部环境联系和作用中多表现出来的性质、能力和功效。结构是功能的基础:同种结构可以具有不同的功能(虎落平川被犬欺),不同结构可具有同样功能(电子表和机械表)。功能模拟:不问其中的结构如何,而通过一组或多组输入输出来比较来追求模型和原型具有相同的功能。然而通过弄清结构,改变发展系统的功能是人类追求的境界。

32、2.信息反馈律信息是我们对外界的进行调节,并使我们的调节为外界所了解时,而与外界进行交换来的东西。反馈:涉及物质流、能量流、信息流,本质上传递的是信息。控制和通信通过信息反馈连起来。正反馈:系统对环境做出的反应,使系统偏离既有的目标值、甚至导致系统的解体。负反馈:使得系统的运动和发展保持既有目标和方向,负反馈使系统保持稳定、合目的性。正负反馈的共同作用,影响着系统的发展和稳定;创造性和合目的性;偶然性和必然性。正反馈使原因的力量加强,负

33、反馈使减弱原因的影响。3.竞争协同律竞争是个体性或保持个体性的必然结果,竞争是一种过程的差异,此起彼伏。协同反映事物之间、系统或要素之间保持合作性、集体性的状态和趋势。协同使系统要素结合成一个稳定、合目的性的整体;竞争造成系统中的涨落,带来了系统中各子系统在获取能量、信息、物质方面的不平衡,当率先突破系统既有稳定域,并得到其他多子系统的承认和响应时,就会出现大的涨落,得到整个系统响应时,涨落放大而进入新的状态。线性相互作用是可以分离的,

34、竞争就是竞争,合作就是合作。非线性相互作用是不可分离的,也正是非线性作用导致竞争与协同,系统才有整体行为。协同学:系统演化过程中有众多的状态变量,在平稳发展阶段这些变量所起的作用大致相同,差别不大,但是在接近状态变化的临界点时,大部分“快变量”由于本身变化极快,还未来得及影响或支配系统的行为就已经消灭或转变了;而极少数的慢变量变化相对缓慢,有机会支配或影响系统的行为。因此,慢变量支配和主宰着系统演化、代表系统的“序”或状态,因而被称为序

35、参量。慢变量代表的序参量是由子系统的竞争和协同产生出来的,反过来又支配众多的子系统。从而促进整个系统自发地组织起来。4.涨落有序律系统的发展演化通过涨落达到有序,通过个别差异得到集体响应放大,通过偶然表现出来必然,从而实现从无序到有序、从低级向高级的发展,这就是涨落有序律。自组织的机制就是涨落有序。涨落也被称为起伏(噪声、干扰)。涨落是普遍存在的。真空这样的场的能量的基态,也存在量子的起伏。热力学第三定律说,绝对零度不可能达到,就意味着

36、系统不可能处于绝对平衡状态。按形成涨落的原因分:内涨落(内部因素引起)和外涨落(外部因素引起)。(多难兴邦)按对系统的影响分:微涨落(不能改变系统的整体性)和巨涨落(作用足以破坏系统结构稳定性)。按涨落作用分:正涨落(推动系统结构整体稳定演化)和反涨落(破坏系统结构整体稳定演化)。由于随机涨落这样的因素存在,使的子系统在获取物质、能量和信息时的不平衡,使得一些子系统“涨起”,在瞬间具有了更大的不稳定性;另外一些子系统获得了“落伏”,在瞬

37、间具有了更大的稳定性。在一定条件下,在临界区域附近,涨落加上非线性相互作用形成的关联放大效应,又进一步加剧了这一过程,形成了众多的序参量,并由这些序参量主宰系统的演化和发展模式。系统‘序’的规定性很多。如结构序和功能序、时间序、空间序、时空序、宏观序和微观序。可以宏观有序微观也有序,如耗散结构;可以宏观无序微观有序,如非平衡混沌系统(宏观表面上是无序的,而内部非常复杂的秩序)。通过涨落达到有序:热力学平衡态附近只能产生小的涨落,系统整体

38、上只能是不可逆转地趋于平衡,涨落最后总是被衰减掉,他们只不过构成对平均值的一种小的干扰和修正作用,这种作用可以按大数定理进行估计。当系统处于远离平衡态时,涨落不一定被衰减而可以得到放大,涨落不再是可以被忽略的修正项。而且一旦在临界点形成了巨涨落,系统会从热力学跃进到耗散结构的分支,实现通过涨落有序。涨落是否被放大,前提系统是远离平衡态、系统中存在适当的非线性相互作用机制。在这里非线性的正反馈机制如同化学反应中的自催化作用,对导致涨落放大

39、有着决定性的作用。非线性系统发生相变时,存在系统演化的分叉。分叉点系统的发展表现出强烈的不确定性,一般系统的稳定性只能在稳定分支和不稳定分支之间进行抉择,对于在两个或多个耗散结构分支之间的进行抉择,要由涨落(包括系统内的涨落和环境涨落的共同作用)来实现。必然的发展,离不开偶然的因素。系统学称涨落为“演化的随机力”。在分叉点上决定论失败了,随机选择的非决定论发挥了作用。因此,耗散结构理论认为,在远离平衡系统的演化过程中,决定论和非决定论都

40、有表现的,在分叉点之前,决定论起作用;在分叉点上,非决定论起支配作用。在新的稳定分支被选择之后决定论起作用。但是分叉的选择往往是具有倾向性的,可供选择的方式也是有一定限度的,大数定律的多数决定原则也在一定程度上发挥作用,因而已经发生的量变对于质变的途径和方式,并非没有影响,只是这种影响不是宿命的。我们的世界本质上是不可逆的,时间之箭,永不回头,自然的演化指向未来。立足于平衡热力学,吉布斯认为宇宙中,秩序存在的可能性最小、混沌存在的可能性

41、最大,但是当整个宇宙(如果真的有整体宇宙的话)趋于衰退时,其中就有一些局部区域,其发展方向和宇宙的发展方向看来和整个宇宙的发展方向相反,同时他们内部的组织程度有着暂时的和有限的增加趋势。生命就在这些局部的区域里的几个地方找到了他们寄居地,并向上发展起来。5.优先演化律系统的优化在演化之中得到实现。优化例子:黄金分割是长方形长、宽最佳比,广泛地用它以及它的倒数;等周长时圆包含的面积最大,植物圆柱根茎最能输送养分;在守恒系统中,动力学体系在

42、一定时间内,从一点到另外一点,总是选择使拉格朗日函数的时间积分为极值的路径。光线在任何介质中,总是沿花费时间最少的路径传播。欧拉名言:世界上一切事物无不呈现出极大或极小特征,万物具有优劣性。系统的优化是系统演化的目的,一个系统优化最重要的整体优化。耗散结构理论:系统优化的一些基本前提;协同学:系统优化的内部机制;超循环理论:协同整合的超循环组织的形成本身就是系统优化的一种形式,并且可以使得系统可以进一步得以优化。系统的形态越高、发展越快

43、,是系统进化的基本法则。形态高系统的通讯能力、自稳能力、适应能力等都必然得到了相应的发展和优化,这样一系列的优化,使得系统具有较大的灵活性。复杂系统的稳定性取决于系统的通讯能力,系统内部的通讯越快,不成功的涨落所占的百分比越大,因而系统越稳定。五、系统的宇宙观(理论都要解释宇宙来检验)任何科学和哲学必须回答的问题:我们从那里来?我们到那里去?就是宇宙观。宇宙是演化的宇宙。关于宇宙的起源和未来,有众多的学说,都不能很好地解释所有的现象,我

44、们这里以支持率较高并且和系统科学思想符合较好的“大爆炸”和“宇宙暴胀”理论为主来阐述。下面介绍宇宙学发展的过程:20世纪初,爱因斯坦(1879—1955)建立起相对论,按广义相对论,不能得出静态宇宙模型,但是爱因斯坦当时也相信静态宇宙,在方程加上一个‘宇宙学项’得出静态解。爱因斯坦后来说:是个可笑的错误。1922至1924年苏联数学家弗里德曼(1888—1925),重新解爱因斯坦宇宙方程,证明,必须自发膨胀或收缩。1927年比利时天文学

45、家勒梅里(G.Lemaitre)提出了大尺度宇宙空间随时间而膨胀。1929美国天文学家哈勃(1889—1953),在前人工作的基础上,得出星系都在离我们远去,星系离我们越远,远离我们的速度越大(河外星系红移同我们的距离成正比),接触到了演化宇宙系统的真面貌。1932年勒梅里进一步提出了演化宇宙模型,认为宇宙的全部物质最初聚集于一个“原初原子”之中,其密度很大、温度极高、很不稳定,在发生爆炸以后物质四面八方散开,导致了宇宙的膨胀。1948

46、年伽莫夫(19041968)进一步发展起来大爆炸宇宙论。宇宙曾经是到达过一个最大压缩状态,全部物质的密度就如同原子核之中的基本离子的密度一样大;这样的宇宙通过大爆炸开始膨胀,逐渐演化成我们今天观察到的宇宙。预言:大爆炸有残余辐射遗留下来,大约只有绝对温度几度。1964彭齐亚斯和威尔逊意外地发现了2.7K(绝对温度)的宇宙微波的辐射背景,使大爆炸理论在众多的宇宙假说中取得了主导地位。此外大爆炸理论还解释了“河外星系的谱线红移的多普勒效应(

47、哈勃)”、“氦元素的丰度经过计算的氢氦比例为76:24与观测基本一致。大爆炸理论遇到的主要困难是:①均匀性问题:观测事实推论观测的宇宙空间分布上是均匀的,而大爆炸理论计算的结果是只有在几度的范围内均匀;②平坦性、平直性问题,大爆炸理论宇宙论宇宙模型是非平直的,而观测表明宇宙非常接近平直的;③磁单极子,大爆炸理论上表明磁单极子肯定存在,所有的实验结果表明磁单极子实际上不存在或几乎不存在。为了解决上述问题?20世纪80年代宇宙暴胀理论诞生,

48、有较大影响的是古斯提出的老的暴胀宇宙论,和稍后林德提出新的暴胀理论,林德在1983年又提出的第三个混沌暴胀理论。大统一理论是‘暴胀’理论的基础。于是大爆炸和‘暴胀理论’结合给我们一幅比较合理的宇宙起源。①宇宙创生期。相应宇宙年龄为1044秒,是实时空形成阶段。在物质与反物质上的天平上开始倾向与前者。描述这一阶段的假说主要是霍金的量子引力理论。创生之前对称性极高,不能区分四种基本作用(电磁力、引力、强相互作用、弱相互作用)。发生对应于超统

49、一理论的超引力真空相变,这次对称破缺,使量子引力开始起作用,(实)时空(从虚时空)产生出来。②宇宙极早期。相应的宇宙年龄为1035秒,这一过程发生大统一相变,使宇宙按指数规律暴胀,暴胀结束后,强力开始起作用;相变中放出能量转变为辐射和粒子,这是宇宙中实物的起源,主要是强子和几种轻子,被成为强子时代。③宇宙早期。相应的宇宙年龄为102秒,各种轻元素形成时期,也成为核成时期。轻子时代:相应的时间1010秒,发生弱电统一理论的真空相变,于是弱

50、力和电磁力出现破缺,四种作用力都出现了。轻子时代的轻子分解和正反粒子的湮灭,产生了大量光子和中微子,于是宇宙进入以辐射为主的辐射时代,相对实物粒子而言,光辐射占绝对优势的时代。辐射时代:也是核合成时代,进入辐射时代不久,开始核素的形成,逐渐形成了几种轻元素,其中氘和氦最先出现。氦稳定、保持至今。④宇宙近期。当宇宙年龄为10万年时,宇宙温度已经下降到4000K左右,宇宙变成透明。在这以后,宇宙就从均匀的状态演化为具有各种结构的状态,终于迎

51、来了实物密度占优势得新时期。开始物质几乎全部是电离的,当温度下降到一个临界点以后,电离物质开始复合,成为中性物质。最先复合的氦、最后复合的是氢。复合开始后,实物和辐射的相互作用变弱,复合基本完成以后,辐射和实物退开耦合开始独立的演化。各种尺度的形体及其体系如星系、星系团、恒星就是在这一时期逐渐形成的。经过大约200亿年到现在,宇宙的温度下降到3K(绝对温度)。暴胀期的长短是关键。若稍短,物质为充分散开,原生宇宙就有重新坍缩为起点;若稍长

52、,原生宇宙的物质则过于分散,形不成星系和恒星,自然也就不会出现生命和人类。因此出现了暴胀为何如此精确的问题,按照现行的物理学基本定律,大爆炸产生的宇宙其“自然尺寸”应该只有亚原子大小,即普克郎长度1035量级,而这样的宇宙是短命的。前苏联科学家林德提出“自我增殖的宇宙”概念——“最有可能的是,我们正在研究的宇宙是由早期的若干宇宙所形成的。1987年霍金进一步提出了“婴儿宇宙”模型,两个大宇宙通过一个细“管子”连接起来,这个细管子称为“虫

53、洞”,大宇宙为母宇宙。就是说除了我们生存的宇宙之外还可能存在着众多的由虫洞连接起来的其他宇宙。1992年,萨莫林在前人基础上提出了宇宙自然选择学说。母宇宙是空间闭合的,犹如一个黑洞,该黑洞在生存了一段时间后坍缩为一个奇点,奇点又会反弹爆炸膨胀为新的下一代宇宙。从而较具有某些基本常数值的宇宙被“自然选择”下来的,“选择”作用产生了越来越多的黑洞,形成了更多的宇宙。应该预期我们生存在其中的宇宙会具有所观测到的样子并正好具有目前测知的基本常数

54、值。2001年6月30日威尔金森研制并组织MAP卫星发射升空。卫星被送到距离地球100多万公里的拉格朗日点上,在这里太阳、地球、卫星始终在一条线上。卫星背向太阳和地球,缓缓扫描着天空,收集来自宇宙深处的数据。2002年9月,威尔金森因病去世。未能亲眼看到卫星数据的发表。美国航空航天局将卫星改名为WMAP,以纪念的贡献。2003年WMAP第一年观测的数据发表了,观测结果的精度大大提高,与气球的实验结果也非常一致。我们终于知道宇宙空间是平直

55、的,暴胀理论得到了初步的证实。同时宇宙的年龄和大尺度结构问题,在这个理论框架内也得到了完满的解决。人类终于知道,宇宙大约140亿年前由一次大爆炸所产生。宇宙中30%是物质,70%是我们还不知道究竟是什么的暗物质所构成。而在宇宙中由闪烁星星所组成的明亮星系,它们的分布并不均匀。此外我们还知道宇宙的空间是平直的,并且它正在加速膨胀。从牛顿的时候起,人类就认为宇宙是无限和永恒的,在空间上没有范围,时间上也没有开始和结束。但是大爆炸的理论却告诉

56、我们,宇宙不仅有一个开始,而且由于处在加速膨胀之中,因而它在空间上是有限的。形形色色的宇宙学说,都有各自的困难,但是都把宇宙作为演化的宇宙来研究。目前认为四种基本相互作用是,引力、电磁力、强力(原子核)、弱力和强力(基本粒子)。各种学说都有自己的困难,但是都承认我们的宇宙是演化的宇宙,是一个从混沌到有序、从混沌宇宙逐渐分化的过程,宇宙的结构和秩序就这样的产生了。“人择原理”“大数假说”20世纪30年代,物理学家狄拉克发现氢原子中静电力与

57、万有引力之比得到一个无量纲的大数a1=2.31039;用原子单位来度量的光线穿过观测宇宙所用的时间与穿过一个原子的所用的时间之比,也是一个无量纲大数a2=71039;以原子质量为单位,来表示我们观测宇宙的总质量,也是一个无量纲的大数a3=1.2(1039)2于是,狄拉克提出,一切出现于宇宙学和物理学基本定律中的无量纲大数,都可以表示为“(1039)的a次方”。即与宇宙年龄相关的a次方来表示,a1、a2中大数,并非永远相同,只是宇宙发展的

58、结果。于是狄克认为:“大数假说”反映的正是人类在这个可见的宇宙中的存在。英国学者卡特称这种观点为弱人择原理,宇宙常数实际上是演化的,如果这些常数有些不同,我们人类就不会在这里;进一步提出强人择原理:引力、温度、化学环境等方面的某些条件,是人类存在的先决条件,至少在这范围内观察者的位置是特殊的,而我们能预期观察的内容受到观察者存在条件的限制,因此我们不是宇宙的中心,但是我们得到了某种程度的优惠。引用霍金在《时间简史》中的说法:弱人择原理:

59、在宇宙中发展起来的理智生命只是在某些时间和某些空域得到满足,如果这些空域里的理智的人在所在地观测到他们所处之处满足了他们存在所需要的条件,他们不会感到惊奇。强人择原理:为什么宇宙是我们看到的宇宙,答案是这样:如果不是这样,我们就不会在这里。宇宙和我们,也就是中国传统中的天、人本就是合一的。如果我们把整体的宇宙,作为一个系统,对于实证主义科学家而言,问宇宙外面是什么是没有意义的(不可思议),只能理解为这是一个封闭的系统,那么宇宙终将走向无

60、序与死亡;而我们的观测宇宙是在整体宇宙衰亡的背景下和前提下,得以蓬勃的发展。但是最终也逃不过无序的命运,宇宙用膨胀抵抗着引力,膨胀(有认为最后的一切将挥发为基本粒子的)终究有个尽头终究会引引力而回缩而塌陷,时间和空间会终结,面临一次新的爆炸。人们怎样面对这悲惨的结局?爱因斯坦给学生的回答是:140亿年你等等看。我还给大家准备了另外一个回答,在宇宙收缩到行将重新爆炸的一瞬,进入混沌状态而具有无限的初值敏感性,如果我们生存到那个时间,物质的

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