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,倒不完有的是肯能它很复杂性(有某些问题图片报告 比这复杂性得多,科学家都能轻松出理 ),只是肯能一种生活生活更根本的导致 :科学家在20世纪中叶发现,某些人所在的某些 宇宙十分混乱,从某些方面而言删改不可预测。但在某些 混沌深处,却又暗藏着某些令人惊奇的规律。假如某些人能充分理解那此规律,或许还都可以揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的某些便在于其“决定性”。假如你了解某个系统的删改特征(这里所说的“系统”还都可以是单个粒子、不还都可以是地球上的天气规律、甚至还都可以是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就还都可以精准地预测某些 系统的未来走向。这只是所谓的“决定论”。物理学家正是利用某些 点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但某些人发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。某些人最早在19世纪就意识到了某些 点。当时的瑞典国王曾针对“三体问题图片报告 ”进行悬赏,谁能出理 某些 问题图片报告 ,便可得到奖励。三体问题图片报告 研究的主只是利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假如太阳系所含有一另4个天体仅靠引力趋于稳定相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但假如向某些 引力系统中引入第有一另4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,但并未真正出理 三体问题图片报告 。相反,他针对该问题图片报告 撰写了一篇论文,删改解释了该问题图片报告 不可解的导致 。其所含一另4个关键导致 是,系统起始时哪怕那末 一丁点微小差别,到现在开始时有的是导致 天差地别。

  某些 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,肯能他每次输入的数据都删改相同,但会 他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,某些 模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕现在开始时那末 某些点化整误差、连一百分之一有的是到,也会导致 该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的某些 问题图片报告 ,只是所谓的“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征。一般来说,肯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。但天气系统并有的是以前。一次微不够道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便肯能使天气趋于稳定巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处那末了,甚至遍及整个宇宙。将有一另4个单摆连接在以前单摆末端,就得到了有一另4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报告 也是有一另4个混沌系统;物种随时间的演变也是有一另4个混沌系统……没错,混沌的确无处那末了。

  初始条件的敏感性导致 ,某些人永远无法对混沌系统做出准确预测,肯能某些人不肯能得知系统趋于稳定的确切走向。假如在某些 过程中每项了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的清况 了。

  这只是天气预报不肯能百分之百精确的导致 。

  分形的秘密

  在某些 不可选择 性和混沌头上,深藏着某些令人惊讶的特征。那此特征在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了有一另4个系统在不一块儿间点上趋于稳定的清况 。肯能你知道有一另4个系统在特定时间拥有那此属性,就还都可以在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其清况 和属性也在不断变化。你还都可以再选择 有一另4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不要 。有了足够多的点,你就还都可以观察到系统在某些 时期的行为变化了。

  某些系统会呈现出一种生活生活叫石“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终有的是演变为另一方倾向的某个特定清况 。累似 ,无论你在山谷中的哪个位置扔下有一另4个球,它最终有的是滚落到谷底。但会 谷底只是某些 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,也发现了有一另4个吸引子。但某些 吸引子不同于他以前见过的任何事物。他的天气系统有的是一定规律可言,但同一种生活生活清况 从未重复老出过。也只是说,相空间中永远不想老出相互重叠的有一另4个点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有有一另4个吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列清况 ;但同一种生活生活清况 从未老出过两次。唯一能描述某些 特殊构造的那末 所谓的“分形”特征。

  假如将洛伦兹天气系统的相空间的某一每项放大观察,就会看得人它的特征与整个相空间删改相同,只不过缩小了某些;而肯能从某些 每项中再截取出一每项放大观察,又会看得人同有一另4个“吸引子”的缩小版……以此类推。某些 无论为社 放大、看上去都与以前相同的特征就叫做“分形”。

  但会 ,该天气系统的确有有一另4个吸引子,只是很奇特而已。但会 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肯能趋于稳定奇异吸引子。

  某些人尚未弄清奇异吸引子的本质、它们的重要性、以及怎样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肯能具有决定性和可预测性,只是某些人目前还不甚了然。就目前来说,某些人还是先努力出理 天气预报的问题图片报告 吧。

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