“黑洞”是爱因斯坦广义相对论所覆言的一种特殊的天体的 物质存在状态1。在这种特殊的天体空间具有很强的引力城， 其脱离该区城的速度等于光速，也就是不会有光辐射递出。它的 基本特征是：有一个封闭的视界，即黑洞的边界（黑洞的半径），外 来的物质、辐射可以被强引力场吸入（抽获）视界以内，而视界内 的任何物质都不能逃到视界外面，甚至连它自身所发出的光线也 不能逸散出视界。因而从外面看它，则成为暗天体。于是天文学 家和天体物理学家们便把这种特殊的天体系统称为“黑洞”。据 科学家声称，宇宙诞生以来所释放的能量中的一半可能是由黑洞 提供的，因为黑弱是观察不到的，所以黑洞释放的大部分能量只有 通过X射线探测器才能探测到。 早在20世纪初，科学家就从理论上推测了黑洞的存在。近些 年来，有科学家把广义相对论引力理论与量子理论相结合，开展了 对量子引力的研究，使得在天体物理学中的黑相学说不断受到人 们的重视。新的数据基本上消除了入们关于黑洞存在的怀疑，随 着黑洞理论的发展，更进一步证实了宇宙的不均匀性和复杂性。 在黑洞的引力范國内，一切物质，包括辐射及其排带的能量，都将 被它吸收，这就是使字宙中某些区城质量和能量高度集中的原因。 §2.6大气运动和气候的复杂性 大气运动的复杂性可由天气变化的复杂性来表征。几乎没有 一天的天气过程是完全相同的。自20世纪60年代以来，世界上 不断发生大范国的“气候异常”，它已成为世界各国气象学家们极 为关心的间题。随着工业化的发展以及科学水平的提高，人们认 识到气候是一个多时间尺度的系统。气候冷慢的变化就是明证。 通过对同位素技术的研究，发现在过去40万年内，冰河期和间冰 期（夹在冰河期之间的较暖和的时期）之间大约有10万年的平均 周期，如图2.6.1所示。 22
→（单位103年） 400 -300 -200 -400 0(现在) 图2.6.1气候变化 气候系统是一个开放系统。气候的变化主要取决于太阳辐射 的能量变化这一因索。此外，地热的变化（如火山的爆发向大气 层释放的热量)，地球旋转时的进动，地球旋转轴与太阳方向之间 的倾角在23.5附近的变化（可以由21.8°变到24.4），地球轨道 偏心率的变化也能对气候产生影响。 从表面上看，地球偏心率的变化也是以0万年为一个周期 的，和气候变化的周期相同。但由此引起的太阳常数（即大气上 界垂直于太阳光线方向上单位时间内单位面积所接收到的太阳能 量)的变化只有0.001，这就产生了一个矛盾：一方面两者周期之 间的关系给人们的印象很深刻，另一方面它表现在对气候系统的 外强迫力是如此之小，以致不能激发气候的变化。然而，气候系统 又是一个远离平衡态的系统，赤道吸收了大部分太阳能，而两极仅 吸收很少的太阳能，其余大部分被反射回太空。这就如同贝纳对 流一样，产生复杂气候的条件是存在的，这时徽小的涨落通过内部 机制（如海气相互作用等）加以放大，从而形成剧烈的气候变化。 82.7 复杂现象的共性 在上述所举许多例子中，可以看出大自然中确实普遍存在着 23
复杂的现象。归纳起来，这些复杂现象有如下几个共同的性质： 一，复杂现象都处于开放的、远离平衡的系统中 所谓开放系统，就是指系统与外界环境有物质、能量和信息交 换的系统（反之称为封闭系统），此时外界环境仅作为限定系统的 边界而存在。开放还涉及到开故程度问题。系统开放程度为零， 意味着系统与外部环境隔绝，从而成了封闭系统：系统开放程度为 百分之百（又称完全开放），意味着系统融人外界环境之中，系统 也就不复存在。这里所说的开放是指充分开放，它不是百分之百 地毫无选择地全而开放，即既使系统保持一定程度的自治性和独 立性，又使系统具有一定程度的灵活性与开放性。而远离平衡的 系统与开放系统实际上是一个问题的两个方面。完全不开放的系 统（封闭系统）必将走向平衡态，当然也就不能远离平衡。只有充 分开故，系统才能通过与外界环境的种种交换关系而远离平衡态。 众所周知，在大自然中，每一事物和它周画的事物总是有着密 切联系的，并受到周挛物的影响，如系统与系统之间总会有千丝 万缕的联系，并发生相互作用。因此，将一个系统绝对地“孤立” 起来是不可能的。实际上系统总是开放的，由于系统受到外界环 境的约束，所以该系统往往是处于远离平衡状态之中的。如贝纳 对流中的上下板的温差△T很大：激光器中不断地增大泵源功率； 赤道和两极接收到的太阳能相差悬殊；BZ反应中不断地加入反应 物和排出产生物：生物系统的吸收和排泄，等等。因此，系统只有 在受到外界约束的情况下，才能造成系统的形态不断地演化，才能 使系统产生复杂现象。 二、系统是自组织的，且有一个自组织核心 前几节对各种复杂现象的举例说明，自组织是开放系统在子 系统合作下出现的宏观尺度上的新结构。也就是说，外界只提供 一定的策件而不进行特定干预，由系统本身自发形成结构。这表 24
明一切复杂现象均是由系统内部的自组织结果所形成的。在贝纳 对流中，当△T很小，即外界提供的能流较小（约束较弱》时，分子 的排列处于杂乱无章的状态，从而使液体处于静止状态。当△T 增大时，则系统将越来越偏离平衡态，直至当△T超过某一界值 时，液体首先开始作宏观的整体运动，分子中有一个“核心”，该核 心促使流体向上移动，此时周固的分子便自动地组织起来，并同步 地向上作垂直运动：然后到达上板，再向左右两边做向下运动形成 对流泡。这些对流泡中有一个“核心”，正像品体中的品核、云中 的凝结核一样。 三、系统内部存在普非线性的相互作用 事物发展变化的根本原因在于事物内部的矛盾，系统内部存 在着多种多样的矛戚，其中，起着决定性作用的矛盾与相互作用会 造成自然界的复杂现象。所列举的众多复杂现象表明，一切复杂 现象都是由系统内部存在者的非线性相互作用所造成的。 这里所指的非线性相互作用是相对于线性相互作用而言的。 所谓线性相互作用，简单地说，就是这种作用的总和刚好等于各部 分作用相加的代数和，同时这种代数性质的可叠加性意味著各部 分的作用都是独立的、互不相关的，它们可以从系统中分割出来加 以考患。这里的线性就是指简单的比例关系。面非线性相互作用 就是这种作用的总和不等于各部分作用相加的代数和。也就是 说，在非线性相互作用下，系统产生了千变万化的整体行为。这里 所指的非线性实际上是对线性这种简单关系的偏离。 具体说来，假如事物或系统中的各个部分之间的相互作用是 线性的，那么其结果必然导致系统的衰亡，因为此时使得事物只能 处于无限增长或在减的极端均匀的简单状态。而实际上事物间的 相互作用是非线性的，它表现在本物间的相互约束、相互反馈上。 当非线性增长太快时，则使事物间的相互作用减慢：当非线性增长 太慢或在减时，则使得事物间的相互作用加快。因此，有了非线 25
性，才有了形态的多重性（如定常状态，周期状态，拟周期状态，非 周期状态，局部的复杂结构等)。 四、过程的不可逆性 经典科学中的基本物理定律，如牛顿运动方程和薛定调方程， 对于时间都是对称的。若将时同换成：，并代人到公式中，无 论是牛顿运动方程中的轨道，还是薛定得方程中的波函数，其形式 都不会发生变化。也就是说，在这些方程中，时间是可逆的，过去 和将来没有什么区别，只要给定运动方程和初始信急，就能决定过 去，预告将来。在这里无所谓进化，更谈不上历史，时间只起一个 参数的作用，是一个设有任何物理意义的幻象。大家知道，空间对 称和时间对称历来是物理学中的基本观念，由于在这种简单的概 念中，时间是均匀的，空间也是均匀的和各向同性的，所以在这些 方程中严格成立可逆性（当然也包括相对论方程），任何平移、旋 转变换都是允许的，无论过去、将来都在给定的现在之中，都会给 出相同的定性行为，改变不了原来的物理规律。因此，经典科学是 以稳定、有序、单一、对称与平衡为其主要特征的，意无复杂性可 言。 实际上，即使在传统物理学中，关于时间的可逆性和对称性， 通过实验经脸和其他科学所揭示的客观现象来看，也常常发生尖 锐的矛盾。例如，把两种液体放人同一容器中，通常都会经过扩散 变成均匀的混合物，而绝不会观察到这种混合物会自动地分开，这 里便显示出时间的方向性。还有热的传导、电的流动、气体的扩 散、化学反应都是一些显示出时间方向性的例子。特别是19世纪 以来，在天文学、地质学、化学、字宙学，生物学中也都揭示出自然 世界发展的方向性和不可逆性。 五、系统对初值的变化具有很强的敏感性 这是指初值的微小差异会引起系统无法估量的巨大变化，将 26