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,倒不完正部都是是是因为分析它很冗杂(有有些问提比这冗杂得多,科学家都能轻松出理 ),假如是是因为分析一种生活生活更根本的是因为分析:科学家在20世纪中叶发现,亲们 所在的一种生活 宇宙十分混乱,从有些方面而言完正不可预测。但在一种生活 混沌深处,却又暗藏着有些令人惊奇的规律。假如亲们 能充分理解一种生活 规律,或许还须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”。假如你了解某个系统的完正形态(这里所说的“系统”还须要是单个粒子、也还须要是地球上的天气规律、甚至还须要是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就还须要精准地预测一种生活 系统的未来走向。这假如所谓的“决定论”。物理学家正是利用一种生活 点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但亲们 发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。亲们 最早在19世纪就意识到了一种生活 点。当时的瑞典国王曾针对“三体问提”进行悬赏,谁能出理 一种生活 问提,便可得到奖励。三体问提研究的主假如利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假如太阳系中3个 多多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。但假如向一种生活 引力系统中引入第3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,但并未真正出理 三体问提。相反,他针对该问提撰写了一篇论文,完正解释了该问提不可解的是因为分析。其中3个 多关键是因为分析是,系统起始时哪怕非要一丁点微小差别,到前一天刚开始时完正都是是因为分析天差地别。

  一种生活 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,科学家才前一天刚开始转变观念。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,是是因为分析他每次输入的数据都完正相同,假如他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,一种生活 模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕前一天刚开始时非要有些点化整误差、连一百分之一完正都是到,也会是因为分析该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的一种生活 问提,假如所谓的“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。一般来说,是是因为分析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。但天气系统并完正都是前一天。一次微缺陷道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便是是因为分析使天气存在巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处都没有,甚至遍及整个宇宙。将3个 多单摆连接在前一天单摆末端,就得到了3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问提也是3个 多混沌系统;物种随时间的演变也是3个 多混沌系统……没错,混沌的确无处都没有。

  初始条件的敏感性是因为分析,亲们 永远无法对混沌系统做出准确预测,是是因为分析亲们 算不算是因为分析得知系统存在的确切走向。假如在一种生活 过程中次要了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的状况了。

  这假如天气预报算不算是因为分析百分之百精确的是因为分析。

  分形的秘密

  在一种生活 不可选着性和混沌眼前 ,深藏着有些令人惊讶的形态。一种生活 形态在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了3个 多系统在不同去间点上存在的状况。是是因为分析你知道3个 多系统在特定时间拥一种生活生活 属性,就还须要在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其状况和属性也在不断变化。你还须要再选着3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没有来越多。有了足够多的点,你就还须要观察到系统在一种生活 时期的行为变化了。

  有些系统会呈现出一种生活生活叫兰“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终完正都是演变为当时人倾向的某个特定状况。之类,无论你在山谷中的哪个位置扔下3个 多球,它最终完正都是滚落到谷底。假如谷底假如一种生活 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3个 多吸引子。但一种生活 吸引子不同于他前一天见过的任何事物。他的天气系统完正都是一定规律可言,但同一种生活生活状况从未重复再次出现过。也假如说,相空间中永远无需再次出现相互重叠的3个 多点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统3个 多多吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列状况;但同一种生活生活状况从未再次出现过两次。唯一能描述一种生活 特殊构造的非要所谓的“分形”形态。

  假如将洛伦兹天气系统的相空间的某一次要放大观察,就会看了它的形态与整个相空间完正相同,只不过缩小了有些;要是是因为分析从一种生活 次要中再截取出一次要放大观察,又会看了同3个 多“吸引子”的缩小版……以此类推。一种生活 无论要怎样 放大、看上去都与前一天相同的形态就叫做“分形”。

  假如,该天气系统的确3个 多多吸引子,假如很奇特而已。假如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是是因为分析存在奇异吸引子。

  亲们 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。一种生活 混沌系统在一定程度上也是是因为分析具有决定性和可预测性,假如亲们 目前还不甚了然。就目前来说,亲们 还是先努力出理 天气预报的问提吧。