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,倒不完可不能否 由于它很复杂化(有或多或少问题报告 比这复杂化得多,科学家都能轻松除理),后来 由于并算不算更根本的由于:科学家在20世纪中叶发现,我门所在的这一宇宙十分混乱,从或多或少方面而言全部不可预测。但在这一混沌深处,却又暗藏着或多或少令人惊奇的规律。假使 我门能充分理解那此规律,或许并能揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的或多或少便在于其“决定性”。假使 你了解某个系统的全部形态学 (这里所说的“系统”并能是单个粒子、以可不能否 是地球上的天气规律、甚至并能是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就并能精准地预测这一系统的未来走向。这后来 所谓的“决定论”。物理学家正是利用这或多或少,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但我门发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。我门最早在19世纪就意识到了这或多或少。当时的瑞典国王曾针对“三体问题报告 ”进行悬赏,谁能除理这一问题报告 ,便可得到奖励。三体问题报告 研究的主后来 利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假使 太阳系暗含另2个 天体仅靠引力地处相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但假使 向这一引力系统中引入第另2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,但并未真正除理三体问题报告 。相反,他针对该问题报告 撰写了一篇论文,全部解释了该问题报告 不可解的由于。其中另2个 关键由于是,系统起始时哪怕并能一丁点微小差别,到现在现在开始时可不能否 由于天差地别。

  这一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。时不时到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,科学家才现在现在开始转变观念。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,由于他每次输入的数据都全部相同,或多或少他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,这一模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕现在现在开始时并能或多或少点化整误差、连一百分之一可不能否 到,也会由于该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的这一问题报告 ,后来 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,由于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。但天气系统并可不能否 原来。一次微地处问题道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便由于使天气地处巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处没哟,甚至遍及整个宇宙。将另2个 单摆连接在原来单摆末端,就得到了另2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问题报告 也是另2个 混沌系统;物种随时间的演变也是另2个 混沌系统……没错,混沌的确无处没哟。

  初始条件的敏感性由于,我门永远无法对混沌系统做出准确预测,由于我门不由于得知系统地处的确切走向。假使 在这一过程中每段了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的情形了。

  这后来 天气预报不由于百分之百精确的由于。

  分形的秘密

  在这一不可选用性和混沌身旁,深藏着或多或少令人惊讶的形态学 。那此形态学 在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了另2个 系统在不同去间点上地处的情形。由于你知道另2个 系统在特定时间拥有那此属性,就并能在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其情形和属性也在不断变化。或多或少你再选用另2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很多。有了足够多的点,你就并能观察到系统在这一时期的行为变化了。

  或多或少系统会呈现出并算不算叫雷“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终可不能否 演变为个人倾向的某个特定情形。同类,无论你在山谷中的哪个位置扔下另2个 球,它最终可不能否 滚落到谷底。或多或少谷底后来 这一系统的“吸引子”。

  洛伦兹在研究上述简单天气系统的相空间时,也发现了另2个 吸引子。但这一吸引子不同于他之前 见过的任何事物。他的天气系统可不能否 一定规律可言,但同并算不算情形从未重复老出过。也后来 说,相空间中永远不让老出相互重叠的另2个 点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统另2个 吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列情形;但同并算不算情形从未老出过两次。唯一能描述这一特殊构造的并能所谓的“分形”形态学 。

  假使 将洛伦兹天气系统的相空间的某一每段放大观察,就会想看 它的形态学 与整个相空间全部相同,只不过缩小了或多或少;而由于从这一每段中再截取出一每段放大观察,又会想看 同另2个 “吸引子”的缩小版……以此类推。这一无论为什么我么我么放大、看上去都与原来相同的形态学 就叫做“分形”。

  或多或少,该天气系统的确另2个 吸引子,后来 很奇特而已。或多或少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由于地处奇异吸引子。

  我门尚未弄清奇异吸引子的本质、它们的重要性、以及怎么才能 才能 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。那此混沌系统在一定程度上也由于具有决定性和可预测性,后来 我门目前还不甚了然。就目前来说,我门还是先努力除理天气预报的问题报告 吧。