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,倒不完并非 它某些样化(有某些现象比这多样化得多,科学家都能轻松处里),可是 可是 两种更根本的因为分析:科学家在20世纪中叶发现,大伙所在的某些宇宙十分混乱,从某些方面而言完整版不可预测。但在某些混沌深处,却又暗藏着某些令人惊奇的规律。倘若大伙能充分理解那些规律,或许都都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”。倘若你了解某个系统的完整版特征(这里所说的“系统”能不是单个粒子、都都都可以不是地球上的天气规律、甚至能不是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就都都都可以精准地预测某些系统的未来走向。这可是 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世纪就意识到了某些点。当时的瑞典国王曾针对“三体现象”进行悬赏,谁能处里某些现象,便可得到奖励。三体现象研究的主可是 利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。倘若太阳系富含另一1个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。但倘若向某些引力系统中引入第另一1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现象。相反,他针对该现象撰写了一篇论文,完整版解释了该现象不可解的因为分析。其中另一1个关键因为分析是,系统起始时哪怕非要一丁点微小差别,到现在日后刚结束了了时时要因为分析天差地别。

  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。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,科学家才现在日后刚结束了了转变观念。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,可是 他每次输入的数据都完整版相同,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,某些模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕现在日后刚结束了了时非要某些点化整误差、连一百分之一时要到,也会因为分析该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的某些现象,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征。一般来说,可是 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。但天气系统从时要从前。一次微缺乏道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便可是 使天气地处巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处没哟,甚至遍及整个宇宙。将另一1个单摆连接在从前单摆末端,就得到了另一1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现象也是另一1个混沌系统;物种随时间的演变也是另一1个混沌系统……没错,混沌的确无处没哟。

  初始条件的敏感性因为分析分析,大伙永远无法对混沌系统做出准确预测,可是 大伙不可是 得知系统地处的确切走向。倘若在某些过程中次要了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的清况 了。

  这可是 天气预报不可是 百分之百精确的因为分析。

  分形的秘密

  在某些不可选着性和混沌肩头,深藏着某些令人惊讶的特征。那些特征在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了另一1个系统在不共同间点上地处的清况 。可是 你知道另一1个系统在特定时间拥有那些属性,就都都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。为什你会再选着另一1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,你就都都都可以观察到系统在某些时期的行为变化了。

  某些系统会呈现出两种叫兰“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终时要演变为自己倾向的某个特定清况 。同类,无论你在山谷中的哪个位置扔下另一1个球,它最终时要滚落到谷底。可是 谷底可是 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,也发现了另一1个吸引子。但某些吸引子不同于他日后 见过的任何事物。他的天气系统时要一定规律可言,但同两种清况 从未重复总是跳出过。也可是 说,相空间中永远不想总是跳出相互重叠的另一1个点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有另一1个吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列清况 ;但同两种清况 从未总是跳出过两次。唯一能描述某些特殊构造的非要所谓的“分形”特征。

  倘若将洛伦兹天气系统的相空间的某一次要放大观察,就会看得人它的特征与整个相空间完整版相同,只不过缩小了某些;而可是 从某些次要中再截取出一次要放大观察,又会看得人同另一1个“吸引子”的缩小版……以此类推。某些无论为什放大、看上去都与从前相同的特征就叫做“分形”。

  可是 ,该天气系统的确有另一1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都可是 地处奇异吸引子。

  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。那些混沌系统在一定程度上也可是 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,大伙还是先努力处里天气预报的现象吧。