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,倒不完总要 不可能 它很复杂性(有有些现象比这复杂性得多,科学家都能轻松避免),过后不可能 两种更根本的导致 :科学家在20世纪中叶发现,亲戚朋友 所在的这人宇宙十分混乱,从有些方面而言全部不可预测。但在这人混沌深处,却又暗藏着有些令人惊奇的规律。倘若亲戚朋友 能充分理解什么规律,或许都都要揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的有些便在于其“决定性”。倘若你了解某个系统的全部内控 (这里所说的“系统”都都过后单个粒子、也都都过后地球上的天气规律、甚至都都过后整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就都都要精准地预测这人系统的未来走向。这过后所谓的“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。

  但亲戚朋友 发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。亲戚朋友 最早在19世纪就意识到了这人点。当时的瑞典国王曾针对“三体现象”进行悬赏,谁能避免这人现象,便可得到奖励。三体现象研究的主过后利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。倘若太阳系带有十个 多多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。但倘若向这人引力系统中引入第有十个 多天体,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现象。相反,他针对该现象撰写了一篇论文,全部解释了该现象不可解的导致 。其中一有十个 多关键导致 是,系统起始时哪怕没有 一丁点微小差别,到现在开始时总要导致 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。总爱 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,不可能 他每次输入的数据都全部相同,为什么在么在我能 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。哪怕现在开始时没有 有些点化整误差、连一百分之一总要 到,也会导致 该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的这人现象,过后所谓的“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内控 。一般来说,不可能 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。但天气系统并总要 过后 。一次微欠缺道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便不可能 使天气地处巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处没了,甚至遍及整个宇宙。将一有十个 多单摆连接在过后 单摆末端,就得到了一有十个 多非常简单、却又十分混沌的系统;令庞加莱大伤脑筋的三体现象也是一有十个 多混沌系统;物种随时间的演变也是一有十个 多混沌系统……没错,混沌的确无处没了。

  初始条件的敏感性导致 ,亲戚朋友 永远无法对混沌系统做出准确预测,不可能 亲戚朋友 不用可能 得知系统地处的确切走向。倘若在这人过程中主次了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的情況了。

  这过后天气预报不用可能 百分之百精确的导致 。

  分形的秘密

  在这人不可选则性和混沌身旁,深藏着有些令人惊讶的内控 。什么内控 在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了一有十个 多系统在不一块儿间点上地处的情況。不可能 你知道一有十个 多系统在特定时间拥有什么属性,就都都要在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其情況和属性也在不断变化。我能 再选则一有十个 多时间点,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太久。有了足够多的点,你就都都要观察到系统在这人时期的行为变化了。

  有些系统会呈现出两种叫华“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终总要演变为有些人倾向的某个特定情況。这人,无论你在山谷中的哪个位置扔下一有十个 多球,它最终总要滚落到谷底。否则谷底过后这人系统的“吸引子”。

  洛伦兹在研究上述简单天气系统的相空间时,也发现了一有十个 多吸引子。但这人吸引子不同于他过后见过的任何事物。他的天气系统总要 一定规律可言,但同两种情況从未重复冒出过。也过后说,相空间中永远不用冒出相互重叠的有十个 多点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有一有十个 多吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列情況;但同两种情況从未冒出过两次。唯一能描述这人特殊构造的没有 所谓的“分形”内控 。

  倘若将洛伦兹天气系统的相空间的某一主次放大观察,就会看过它的内控 与整个相空间全部相同,只不过缩小了有些;而不可能 从这人主次中再截取出一主次放大观察,又会看过同一有十个 多“吸引子”的缩小版……以此类推。这人无论缘何放大、看上去都与过后 相同的内控 就叫做“分形”。

  否则,该天气系统的确有一有十个 多吸引子,过后很奇特而已。否则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总要 可能 地处奇异吸引子。

  亲戚朋友 尚未弄清奇异吸引子的本质、它们的重要性、以及要怎样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。什么混沌系统在一定程度上过后可能 具有决定性和可预测性,过后亲戚朋友 目前还不甚了然。就目前来说,亲戚朋友 还是先努力避免天气预报的现象吧。