自然界的存在方式

一、自然界的存在方式

从自然观的发展与演变过程中，可以发现从朴素辩证唯物主义自然观到现代系统自然观、生态自然观，均认同自然万物的物质本原特征。可见，自然界的物质性是自然界存在的首要方式，它回答的是“自然是什么”的问题。同时，自然界存在方式还必须回答第二个问题，即自然界“如何存在”的问题，而自然界的系统性可以很好地回答自然的如何存在。

（一）自然界的物质性

自然界的物质性揭示自然界是以物质的形态存在的，它是考察和研究自然界的出发点。

自然物质的客观实在性。古希腊的自然哲学家，在考察自然界的过程中，最初将水或火看做是自然界的本原。如亚里士多德提出，月亮以下的世界的组成元素为水、火、土、气。可见，最初的物质被认为是某种具体的物质形态。伴随着原子论的提出，物质被归结于原子状态。在16～17世纪的近代科学前期，随着以笛卡尔的“二元论”和牛顿的经典力学体系的出现，机械自然观将物质认定为按力学规律运动着的微粒。19世纪，道尔顿和阿伏伽德罗创立原子论和分子论后，提出物质由分子组成，分子由原子组成，原子不可再分。20世纪初，随着X射线、阴阳射线的发现，传统观念“物质的最小微粒为原子”被否定，唯心主义甚至提出“原子非物质化了”，“物质消失”的观点，对唯物主义造成巨大的冲击。20世纪上半叶，随着原子的核式结构、物质波理论、介子理论和夸克模型的提出，物质的绝对、不变等基本特性被否定，而物质的“客观实在性”被保留，且被当作物质的唯一特性。列宁说：“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。”^[14]列宁的物质定义，揭示了所有物质的共同属性为客观实在性。

物质的多样性和统一性。自然界的具体物质成千上万，多种多样，组成了一个纷繁复杂的自然界。首先，从物质的基本形态夸克和轻子来看，自然界分别有6种夸克和轻子，组成400多种基本粒子，产生100多种元素，构成数百万种的有机化合物。其次，从生命和非生命物质来看，在生命世界里，现今已经发现的植物约30万种，动物150万种，微生物8万～9万种。同时，在非生命世界里，总星系有规模最大的物质形态，地球上存在各种有机物和无机物。因此，物质的类别和数量，都表明物质呈现出多样性的特征。

物质的多样性是以物质的彼此区别为前提的，然而，物质的构成要素和发展规律也说明了物质的统一性。

光谱分析表明，太阳系以外的天体是由70多种在地球上可以找到的化学元素构成的，宇宙探测也证实，组成生命基础的物质元素，没有一种是无机界所没有的。可见，化学元素的相同或一致，证明了物质的统一性。

质量守恒和能量守恒与转化定律表明物质的各种形态在一定条件下可以转化，如粒子与粒子、元素与元素之间均存在转化，且在整个转化过程中，系统的总质量和能量保持恒定不变。

因此，物质在呈现多样性同时，也表现出统一性。物质的统一性是多样性的基础。

（二）自然界的时空性

时间和空间是运动物质的基本属性之一。时间和空间难以分割理解，却有着各自的本源性规定。从人类的时空认识过程来看，自然界是时间和空间的统一。

1.物理空间与数学空间

一般而言，空间是指处于运动状态的物质客体的广延性、伸张性和方位性。由此可见，任何空间都是物质客体的特定空间，人们通过对这种特定空间的认识进而理解物质世界的空间。而物质客体的空间包括物理空间和数学空间两个方面。因此，了解物理空间与数学空间的内涵，对于人类认识物质客体的空间属性具有重要的意义。

物理空间作为反映物质客体存在的广延性、伸张性和方位性的重要概念，是人们在特定的科学概念框架中对现实空间的结构性说明。具体地说，物理空间是对物体彼此之间的并存关系和分离关系、物体的体积、形状、位置和排列次序等等属性的概括。^[15]物理空间的特点是三维性，它既不是运动物质客体的绝对位置，也不是物质客体的绝对框架。所以，物理空间是自然界各种物质存在的重要表现。

数学空间是对物理空间概念的延伸与抽象，它借助数学概念来描述物质客体的结构形式，并以直观抽象的方式来说明物理空间的现实结构和可能结构。一方面，数学空间可以不涉及客观世界中的事件和现象，而仅仅考虑数和形的关系，并可以在逻辑世界中得以独立地演绎发展。另一方面，数学空间却仍然有着人类对空间的经验性体验，如在几何世界中，一个数学意义上的点代表着物理空间的一个位置。因此，数学空间在本质上是一种特殊的概念框架，它对物理空间的研究有着指导和推动作用。

2.外部时间与内部时间

时间是表征物质运动过程的持续性、间隔性和顺序性的基本范畴。时间的根本特点是一维性，即时间具有单向性和不可逆性。

人类最早是通过牛顿的经典物理学框架来理解时间的。牛顿认为，时间和空间是独立于运动物质之外的绝对框架。牛顿对时间的认识和看法，曾极大地推动了科学的进步，但也限制了人类对自然界本质的认识。20世纪以来，爱因斯坦把时间从绝对性引到相对性，普利高津把时间从外部引向内部，引发了两次时间观念变革，并奠定了现代科学对时间特征的基本认识。

（1）外部时间。在牛顿经典物理学理论和爱因斯坦相对论中，时间都被看成是事物的外部形式，是用来调整动力学机制的外加因素。牛顿认为，时间是独立自在的东西，不仅可以脱离物质，而且可以脱离物质运动。因此，牛顿的时间观从本质上否定了时间的相对性。与牛顿不同，爱因斯坦的相对时间则认为，不存在着统一的时间，时间与所选择的参照系有关，同时性是相对的。时间与物质及其运动变化有关，时间与空间在现实世界中不可分割地联系在一起。因此，牛顿和爱因斯坦的时间观是有本质的区别的。

结合近现代科学研究成果，时间的外在性包括三个方面：第一，时间与客观实在的演化无关，只是反映了它们的顺序性和持续性。第二，不管是绝对时间还是相对时间，它们仅仅与客观实体构成外部联系，因而只是表征了客观实体的几何参量。第三，时间具有反演的对称性，也就是说时间隐含着过去和未来的等价性和可逆性。^[16]

时间的外在性是人类认识客观实体的前提，因为其刻画了时间和客观物质的外部联系。但是，时间的外在性不足以提供自然界自身的演化方式和属性。因此，为揭示自然界的本质属性需要借助内部时间。

（2）内部时间。伴随着非平衡物理学和混沌学理论的发展，内部时间得以提出。内部时间与以往动力学时间截然不同，它反映了时间的两个重要的特征：时间的单向性，即时间具有方向性，呈现出对称性破缺和不可逆的特征。在科学上，“不具备时间之矢的平衡态物质，是‘盲目’的；具备了时间之矢，它才开始‘看见’”。^[17]时间的生命性。时间与物质客体是不可分的，时间是物质的内部变量和属性，具有生命性。由于时间的不可逆特征，使得内部时间呈现出内在活性，并起着规整建构的作用。因此，内部时间不能脱离物质而存在，是物质生命演化的内在尺度。

伴随着牛顿力学的诞生，绝对时空观得以问世，实现了人类认识时空的第一次飞跃。随着爱因斯坦相对论的提出，人类对时空的认识取得了历史性的进展。辩证唯物主义提出：“时间是永恒的，空间是无限的。”这表明时空是无穷无尽的，物质世界是无限的。因此，人类对时空的认识，将随着自然科学的发展而不断发展、变化。

（三）自然界的系统性

借助内部元素组合方式的不同，物质在统一性基础上凸显出多样性，通过物之间的相互作用，物质由简单、低阶段物质转化为复杂、高阶段物质。物质从单一到多样，从简单到复杂，使得科学研究的重点也从单个物质转变为物质之间的相互作用和关系。正因如此，系统得以出现。系统可以借助综合的分析方法来阐释物质的整体性质，以及物质从简单到复杂的演变过程。

贝塔朗菲最早提出系统论，他将系统定义为相互作用的若干要素的复合体。我国科学家钱学森则认为：“把极其复杂的研究对象称为‘系统’，即相互作用和相互依赖的若干组成部分合成的具有特定功能的有机整体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。”^[18]

贝塔朗菲和钱学森对系统的定义包括了四方面的内容：一是系统的组成构成部分为要素，系统至少包括两个要素。二是系统要素并非孤立的，而是存在着相互作用和相互依赖的关系。要素之间的作用关系将系统推向一个整体，这个整体具备单个要素或要素之和的简单累加所没有的功能。三是系统具有层次性。系统的区分是相对的，在小范围是一个系统，在大范围就是要素；反之亦然。四是系统必须具有环境适应性。任何一个系统都与周围的环境进行着物质、能量和信息的交换，并保持动态平衡的状态，若系统保持孤立，必然会消亡。

知识链接

钱学森与《论系统工程》

钱学森——“中国航天之父”，祖籍浙江杭州，1911年12月11日出生于上海。1929年，钱学森考入上海交通大学机械工程学院学习机械和力学。1934年，钱学森大学毕业，并考取清华大学赴美留学预备班。1935年，钱学森远渡重洋，赴美国麻省理工学院攻读航空专业硕士学位。1936年，即一年后，钱学森获麻省理工学院航空专业硕士学位，同年，钱学森转学加州理工学院，攻读博士学位。三年后，即1939年，钱学森在加州理工学院获航空与数学博士学位。

钱学森的代表著作有《工程控制论》、《论系统工程》。因此，钱学森不仅是科学家、工程师，也是一名系统科学的思想家。

《论系统工程》选载了钱学森及其合作者研究系统工程的二十篇论文，加上介绍性的前言和一篇系统工程在中国发展的历史，共十八万字。该书介绍了系统的观点和系统分析的方法，即以最少的人力、物力和投资取得最佳的效果，获得最佳的经济效益。钱学森汲取国外科学研究的最新成果，从系统的角度出发，在书中比较全面地阐述了他的系统科学思想。当前，系统工程已在我国各行各业中得到广泛应用，由于它与社会生产的紧密联系和巨大的指导作用，已日益引起各级领导干部和工程技术人员的重视。《论系统工程》一书的出版发行，为各级干部和工程技术人员学习系统工程学提供了好工具。

因此，我们将系统定义为：由若干相互联系的要素构成，并与环境相互适应的有机整体。将系统引入自然界，我们可以将自然界认定为一个大系统，自然界中的各种物质为要素。根据系统定义分析物质，我们发现从古代朴素唯物主义自然观到唯物辩证自然观、当代系统自然观，不论物质是否由某种特定的具体物质形态组成，还是由几种微粒组成，但有一点是共通的，那就是物质包含着几种化学元素，同时，随着这些化学元素的排列方式、结构不同，物质也会从一种物质形态变成另一种物质形态。因此，一切物质均为系统。

恩格斯指出：“我们所接触到的整个自然界构成一个体系，即各种物体相联系的总体，而我们在这里所理解的物体，是指所有的物质存在，从星球到原子，甚至直到以太粒子……这些物体处于某种联系之中，这就包含了这样的意思，它们是相互作用着的，而这种相互作用就是运动。”^[19]可见，恩格斯不仅视物质为系统，而且指出了物质之间的相互联系。从此，物质系统概念应运而生。

1.自然界物质系统的基本特征

系统是物质存在的基本普遍形式，物质系统具有系统的典型特征。

（1）整体性

物质系统的整体性，是指物质系统作为不可还原性质的整体，具有各组成部分所没有的性质和功能。物质系统的整体性，说明物质系统不是简单的内部要素的叠加，而是要素组合产生的新的性质和功能。如，房子作为一个整体，它具有泥、沙、水泥简单堆积所没有的功能，那就是居住。

物质系统与其要素的关系，表现为加和性和非加和性。加和性是指复合体包含组成元素的简单相加，换句话说，复合体的特征即组成元素的特征之和。这说明物质系统包含简单叠加的成分。非加和性是指系统各组成要素的简单加和耦合并不能促成整体性功能的出现，整体性是不可或缺的量度。因此，非加和性是物质系统的主要性质，它使物质系统呈现出单个元素或元素之和所没有的特征，它推动了物质系统的从量到质的飞跃。

（2）相互作用

物质系统作为一个整体，与内部组成要素、外部环境，都存在着普遍的联系。

物质系统内部各种要素每时每刻都发生着相互联系和相互作用，从而使物质系统呈现出一定的结构。物质系统的结构是物质系统整体性的基础和依据。物质系统的结构有几个特征：第一，稳定性。物质系统的结构在形成之后会趋向于保持某一状态。第二，层次性。物质系统的层次性，表现为多等级的纵向层次和多侧面的横向层次。第三，可变性。物质系统的内部组成要素存在转化和交换关系。第四，相对性。物质系统内部组成要素之间的关系是可变和相对的。

物质系统内部要素存在相互作用，同时，物质系统与环境之间也存在相互作用。物质系统作为整体，与内部要素或外部环境的相互联系过程中表现出的行为、性质和能力，即物质系统的功能。物质系统的功能包括内部功能和外部功能。物质系统的功能既受制于内部环境，也受制于外部环境。

任何一个物质系统都有一定的结构和功能。结构和功能是不可分割的。首先，物质的结构是物质功能发挥的内在依据，它决定着物质系统的功能。物质结构中要素的损害可能导致物质系统功能的丧失。但是，物质结构对功能的决定作用，是或然决定而非单值决定。一种结构可以表现出多种功能，一种功能也可以对应多种结构。其次，功能反作用于结构。物质系统为适应环境的变化，必须不断调整其外部功能，外部功能的改变进而影响内部功能的发挥，最终导致内部组成要素之间的关系发生变化。即物质系统的结构发生改变。再次，物质系统的功能具有相对独立性。功能的相对独立性，表现为相同结构表现出同一种功能，不同的结构表现出相同或相似的功能。功能的相对独立性，使得达成物质系统功能的多种结构途径的出现。

物质系统与内部要素、外部环境相互作用表现出的结构和功能，是科学研究的重点。物质系统结构和功能的关系对于科学研究具有重大的意义。一方面，它提醒人们，要从系统的角度研究物质的内部要素之间、物质系统与外部环境之间的联系；另一方面，它促成了功能研究方法的出现。功能研究方法是指通过系统的功能，深入了解和研究系统的结构的方法。因此，恩格斯说：“相互作用是我们从现代自然科学的观点考察整个运动着的物质时首先遇到的东西。我们看到一系列的运动形式，机械运动、热、光、电、化学的化合和分解、聚集状态的转变、有机生命，这一切，如果我们现在还把有机的生命除外，都是互相转化、互相制约的”，“自然科学证实了黑格尔曾经说过的话：相互作用是食物的真正的终极原因……只有从这种普遍的相互作用出发，我们才能达到现实的因果关系。”^[20]

（3）层次性

物质系统的层次性，是指物质系统的等级差异性，即物质因组成要素的差异，导致地位、功能和结构等方面呈现等级秩序的特征。贝塔朗菲曾说：“我们现在看到的宇宙是个很大的梯阶结构，从基本粒子到原子核、到原子、分子、高分子化合物，到细胞之间的大量结构，到细胞、生物体、再到超个体组织。……在‘结构’和‘功能’中都有类似的梯阶秩序。”^[21]在自然界的生命世界和非生命世界，都可以按照一定的标准，分成不同的层次，因此，层次性在自然界普遍存在。

物质系统层次是连续性和间断性的统一。物质系统层次的连续性，是指物质系统层次之间存在相互联系，它表现在物质层次之间的从属关系和转化关系。如阿那克萨哥认为物质是连续的，无限可分的，每一个粒子就像一个小世界。物质系统层次的间断性，是指物质系统层次之间的分立和不连续性。它表现为不同的物质系统层次，具有不同的结构，遵循不同运动规律。如德谟克利特认为物质具有间断性，物质可分性的最后限度是原子。1905年，爱因斯坦提出光量子理论，认为光既有连续性，又有间断性，揭示了物质系统连续性和间断性的统一。

物质系统层次是无限性和有限性的统一。物质系统层次的有限性，是指具体物质系统层次在质量、结构和功能方面的有限性；物质系统层次的无限性，是指整个自然界物质系统层次的不可穷尽性。物质系统层次有限性和无限性的统一，说明系统与要素的关系是相对的，一个系统在大范围是要素，在小范围就成为了系统。这就要求我们在认识自然时要意识到个人力量的有限性，人类力量的无限性。

3.自然界物质系统的类型

自然界的物质系统按照不同的标准，可以分成不同的类型。

依照系统内进行的实际过程标准，物质系统可分为物理系统、化学系统和生命系统。物理系统是指物理学领域研究的实际过程的系统；化学系统是指化学体系中化学结构或组成过程的系统；生命系统是指发生生命过程的系统。

依照人对自然物的参与程度标准，物质系统可划分成天然系统、人工系统和复合系统。天然系统，是指人类参与程度极低，尚未改变自然界状况和进程的系统；人工系统，是指人类参与程度极高，人工制造的机器、铁路、轮船等各种物质系统；复合系统，是指人的实践活动部分参与自然界的物质系统，如水利工程系统、农业生产系统。

依照系统与环境的关系标准，物质系统可分为孤立系统、封闭系统和开放系统。孤立系统，是指与环境的物质或能量交换几乎为零的系统；封闭系统，是指与环境只进行能量交换，不进行物质交换的系统；开放系统，是指与环境既进行能量交换，又进行物质交换的系统。

依照人对自然物的认识程度标准，物质系统可以划分为黑系统、白系统和灰系统。黑系统，是指人类至今对其结构和功能一无所知的系统；白系统，是指人类现今已经非常清楚其构成和功能的系统；灰系统，是指人类如今对其要素和结构部分了解，部分认识不清的系统。黑系统、白系统、灰系统也分别被称为黑箱、白箱和灰箱。从人类的认识发展来看，认识是从黑系统到灰系统，最后发展到白系统的过程。

依照系统所处的状态标准，物质系统可分为平衡系统、近平衡系统和远离平衡系统。平衡系统，是指各组成要素的相互作用处于动态均衡状态的系统；近平衡系统，是指内部各方的相互作用表现为线性的系统；远离平衡系统，是指内部各组成部分相互作用失衡表现非线性的系统。

依照系统的组成要素的数量和相互作用标准，物质系统可分为简单系统和复杂系统。简单系统，是指组成要素不多于两个，相互作用关联少导致线性相关的系统；复杂系统是指组成要素不少于三个，相互关联多导致非线性相关的系统。

上述物质系统的分类是几种常见的分类方式，并非所有的分类，依照其他的学科或标准，物质系统还可以分成其他的类型。