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,倒不完都在将会它很简化(有太多间题图片比这简化得多,科学家都能轻松处里),可是将会两种更根本的愿因:科学家在20世纪中叶发现,大家所在的太多宇宙十分混乱,从太多方面而言删剪不可预测。但在太多混沌深处,却又暗藏着太多令人惊奇的规律。假使 大家能充分理解那此规律,或许能没法揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的太多便在于其“决定性”。假使 你了解某个系统的删剪形态学 (这里所说的“系统”能没法是单个粒子、不能没法是地球上的天气规律、甚至能没法是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就能没法精准地预测太多系统的未来走向。这可是所谓的“决定论”。物理学家正是利用太多点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但大家发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。大家最早在19世纪就意识到了太多点。当时的瑞典国王曾针对“三体间题图片”进行悬赏,谁能处里太多间题图片,便可得到奖励。三体间题图片研究的主可是利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假使 太阳系所含另一个 天体仅靠引力存在相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但假使 向太多引力系统中引入第另一个 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,但并未真正处里三体间题图片。相反,他针对该间题图片撰写了一篇论文,删剪解释了该间题图片不可解的愿因。其中另一个 关键愿因是,系统起始时哪怕没法一丁点微小差别,到以后 开始英文时都在愿因天差地别。

  太多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。老会 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,科学家才以后 开始英文转变观念。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,将会他每次输入的数据都删剪相同,有以后 他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,太多模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕以后 开始英文时没法太多点化整误差、连一百分之一都在到,也会愿因该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的太多间题图片,可是所谓的“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,将会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。但天气系统并都在另另一个 。一次微欠缺道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便将会使天气存在巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处找不到,甚至遍及整个宇宙。将另一个 单摆连接在另另一个 单摆末端,就得到了另一个 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图片也是另一个 混沌系统;物种随时间的演变也是另一个 混沌系统……没错,混沌的确无处找不到。

  初始条件的敏感性愿因,大家永远无法对混沌系统做出准确预测,将会大家不将会得知系统存在的确切走向。假使 在太多过程中帕累托图了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的情况了。

  这可是天气预报不将会百分之百精确的愿因。

  分形的秘密

  在太多不可取舍性和混沌头上,深藏着太多令人惊讶的形态学 。那此形态学 在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了另一个 系统在不并肩间点上存在的情况。将会你知道另一个 系统在特定时间拥有那此属性,就能没法在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其情况和属性也在不断变化。你能没法再取舍另一个 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太多。有了足够多的点,你就能没法观察到系统在太多时期的行为变化了。

  太多系统会呈现出两种叫青 “吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终都在演变为自己倾向的某个特定情况。这名,无论你在山谷中的哪个位置扔下另一个 球,它最终都在滚落到谷底。有以后 谷底可是太多系统的“吸引子”。

  洛伦兹在研究上述简单天气系统的相空间时,也发现了另一个 吸引子。但太多吸引子不同于他以后 见过的任何事物。他的天气系统都在一定规律可言,但同两种情况从未重复老会 跳出过。也可是说,相空间中永远不想老会 跳出相互重叠的另一个 点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有另一个 吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列情况;但同两种情况从未老会 跳出过两次。唯一能描述太多特殊构造的没法所谓的“分形”形态学 。

  假使 将洛伦兹天气系统的相空间的某一帕累托图放大观察,就会看一遍它的形态学 与整个相空间删剪相同,只不过缩小了太多;而将会从太多帕累托图中再截取出一帕累托图放大观察,又会看一遍同另一个 “吸引子”的缩小版……以此类推。太多无论为啥放大、看上去都与另另一个 相同的形态学 就叫做“分形”。

  有以后 ,该天气系统的确有另一个 吸引子,可是很奇特而已。有以后 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将会存在奇异吸引子。

  大家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。那此混沌系统在一定程度上也将会具有决定性和可预测性,可是大家目前还不甚了然。就目前来说,大家还是先努力处里天气预报的间题图片吧。