不可预测的宇宙:暗藏着令人惊奇规律的混沌理论

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  新浪科技讯 北京时间12月16日消息,据国外媒体报道,精确进行天气预报是件非常困难的事情,倒不全版部可不可以 很久 它很冗杂(有一点间题比这冗杂得多,科学家都能轻松避免),很久 很久 本身更根本的导致 :科学家在20世纪中叶发现,朋友所在的这人宇宙十分混乱,从一点方面而言全版不可预测。但在这人混沌深处,却又暗藏着一点令人惊奇的规律。只要朋友能充分理解这人规律,或许可不可以揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的一点便在于其“决定性”。只要你了解某个系统的全版形态学 (这里所说的“系统”很久否单个粒子、也很久否地球上的天气规律、甚至很久否整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就可不可以精准地预测这人系统的未来走向。这很久 所谓的“决定论”。物理学家正是利用这人点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但朋友发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。朋友最早在19世纪就意识到了这人点。当时的瑞典国王曾针对“三体间题”进行悬赏,谁能避免这人间题,便可得到奖励。三体间题研究的主很久 利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。只要太阳系所含有有一5个 天体仅靠引力居于相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但只要向这人引力系统中引入第有有一5个 天体,就无法对该系统的未来进行预测了。

  具有争议性的超级天才、法国数学家亨利·彭加莱(Henri Poincaré)赢得了此次悬赏,但并未真正避免三体间题。相反,他针对该间题撰写了一篇论文,全版解释了该间题不可解的导致 。其所含有一5个 关键导致 是,系统起始时哪怕可不可以了一丁点微小差别,到刚现在结速时可不可以 导致 天差地别。

  这人观点在当并未得到重视,物理学家仍然认为宇宙是决定性的。老是到20世纪中叶,爱德华·洛伦兹(Edward Lorenz)利用早期计算机研究地球天气的简单模型后,科学家才刚现在结速转变观念。洛伦兹发现,每次他重启模拟时,得到的结果都相差甚远。这令他十分诧异,很久 他每次输入的数据都全版相同,很久 他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,这人模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕刚现在结速时可不可以了一点点化整误差、连一百分之一全版可不可以 到,也会导致 该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的这人间题,很久 所谓的“混沌”。

  暗中摸索

  正如庞加莱最早发现的那样,这正是混沌系统的标志性形态学 。一般来说,很久 对系统的初始条件稍加改动,最终输出的结果仅会稍有不同。但天气系统并全版可不可以 很久 。一次微过低道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便很久 使天气居于巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处没了,甚至遍及整个宇宙。将有有一5个 单摆连接在很久 单摆末端,就得到了有有一5个 非常简单、却又十分混沌的系统;令庞加莱大伤脑筋的三体间题也是有有一5个 混沌系统;物种随时间的演变也是有有一5个 混沌系统……没错,混沌的确无处没了。

  初始条件的敏感性导致 ,朋友永远无法对混沌系统做出准确预测,很久 朋友不很久 得知系统居于的确切走向。只要在这人过程中次责了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的请况了。

  这很久 天气预报不很久 百分之百精确的导致 。

  分形的秘密

  在这人不可确定性和混沌眼前 ,深藏着一点令人惊讶的形态学 。这人形态学 在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了有有一5个 系统在不一起间点上居于的请况。很久 你知道有有一5个 系统在特定时间拥有这人属性,就可不可以在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其请况和属性也在不断变化。我应该 再确定有有一5个 时间点,在相空间中描述出与该时间点对应的点。这般持续下去,相空间中描述的点越积没人来越多。有了足够多的点,你就可不可以观察到系统在这人时期的行为变化了。

  一点系统会呈现出本身叫雷“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终可不可以 演变为个人倾向的某个特定请况。同类,无论你在山谷中的哪个位置扔下有有一5个 球,它最终可不可以 滚落到谷底。很久 谷底很久 这人系统的“吸引子”。

  洛伦兹在研究上述简单天气系统的相空间时,也发现了有有一5个 吸引子。但这人吸引子不同于他事先见过的任何事物。他的天气系统全版可不可以 一定规律可言,但同本身请况从未重复总出 过。也很久 说,相空间中永远不必总出 相互重叠的有有一5个 点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有有一5个 多吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列请况;但同本身请况从未总出 过两次。唯一能描述这人特殊构造的可不可以了所谓的“分形”形态学 。

  只要将洛伦兹天气系统的相空间的某一次责放大观察,就会都看它的形态学 与整个相空间全版相同,只不过缩小了一点;而很久 从这人次责中再截取出一次责放大观察,又会都看同有有一5个 “吸引子”的缩小版……以此类推。这人无论为啥放大、看上去都与很久 相同的形态学 就叫做“分形”。

  很久 ,该天气系统的确有有一5个 多吸引子,很久 很奇特而已。很久 科学家按字面意思将其命名为“奇异吸引子”。事实上,不仅是天气系统、任何种类的混沌系统中都很久 居于奇异吸引子。

  朋友尚未弄清奇异吸引子的本质、它们的重要性、以及如保在不可预测的混沌系统中运用它们。在数学界和科学界,这仍然是一片全新的领域。这人混沌系统在一定程度上也很久 具有决定性和可预测性,很久 朋友目前还不甚了然。就目前来说,朋友还是先努力避免天气预报的间题吧。