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,倒不完一定会不可能 它很简化(有或多或少问题图片比这简化得多,科学家都能轻松补救),可是不可能 一种生活更根本的导致 :科学家在20世纪中叶发现,大伙所在的你你你这人宇宙十分混乱,从或多或少方面而言详细不可预测。但在你你你这人混沌深处,却又暗藏着或多或少令人惊奇的规律。假如大伙能充分理解哪几种规律,或许可不能不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”。假如你了解某个系统的详细特性(这里所说的“系统”可不能不能是单个粒子、里可不能不能是地球上的天气规律、甚至可不能不能是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就可不能不能精准地预测你你你这人系统的未来走向。这可是所谓的“决定论”。物理学家正是利用你你你这人点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但大伙发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。大伙最早在19世纪就意识到了你你你这人点。当时的瑞典国王曾针对“三体问题图片”进行悬赏,谁能补救你你你这人问题图片,便可得到奖励。三体问题图片研究的主可是利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假如太阳系中另一个天体仅靠引力位于相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但假如向你你你这人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,但并未真正补救三体问题图片。相反,他针对该问题图片撰写了一篇论文,详细解释了该问题图片不可解的导致 。其中另一个关键导致 是,系统起始时哪怕没法一丁点微小差别,到始于时一定会导致 天差地别。

  你你你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。突然到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,科学家才始于转变观念。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详细相同,可是他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,你你你这人模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕始于时没法或多或少点化整误差、连一百分之一一定会到,也会导致 该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的你你你这人问题图片,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特性。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。但天气系统并一定会另一个。一次微过低道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便不可能 使天气位于巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处沒有,甚至遍及整个宇宙。将另一个单摆连接在另一个单摆末端,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问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,混沌的确无处沒有。

  初始条件的敏感性导致 ,大伙永远无法对混沌系统做出准确预测,不可能 大伙并且可能 得知系统位于的确切走向。假如在你你你这人过程中帕累托图了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的请况了。

  这可是天气预报并且可能 百分之百精确的导致 。

  分形的秘密

  在你你你这人不可确定性和混沌背后,深藏着或多或少令人惊讶的特性。哪几种特性在“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一齐间点上位于的请况。不可能 你知道另一个系统在特定时间拥有哪几种属性,就可不能不能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。让我再确定另一个时间点,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没法多。有了足够多的点,你就可不能不能观察到系统在你你你这人时期的行为变化了。

  或多或少系统会呈现出一种生活叫安“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终一定会演变为买车人倾向的某个特定请况。类似于,无论你在山谷中的哪个位置扔下另一个球,它最终一定会滚落到谷底。可是谷底可是你你你这人系统的“吸引子”。

  洛伦兹在研究上述简单天气系统的相空间时,也发现了另一个吸引子。但你你你这人吸引子不同于他并且见过的任何事物。他的天气系统一定会一定规律可言,但同一种生活请况从未重复老出过。也可是说,相空间中永远并且老出相互重叠的另一个点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统另一个吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列请况;但同一种生活请况从未老出过两次。唯一能描述你你你这人特殊构造的没法所谓的“分形”特性。

  假如将洛伦兹天气系统的相空间的某一帕累托图放大观察,就会看多它的特性与整个相空间详细相同,只不过缩小了或多或少;而不可能 从你你你这人帕累托图中再截取出一帕累托图放大观察,又会看多同另一个“吸引子”的缩小版……以此类推。你你你这人无论为什么我么我在么在放大、看上去都与另一个相同的特性就叫做“分形”。

  可是,该天气系统的确另一个吸引子,可是很奇特而已。可是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一定会可能 位于奇异吸引子。

  大伙尚未弄清奇异吸引子的本质、它们的重要性、以及怎么能不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。哪几种混沌系统在一定程度上可是可能 具有决定性和可预测性,可是大伙目前还不甚了然。就目前来说,大伙还是先努力补救天气预报的问题图片吧。