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,倒不完都不 机会它很简化(有其他什么的问题比这简化得多,科学家都能轻松处置),就是 机会有一种更根本的愿因:科学家在20世纪中叶发现,亲戚亲戚朋友儿所在的这俩 宇宙十分混乱,从其他方面而言完整性不可预测。但在这俩 混沌深处,却又暗藏着其他令人惊奇的规律。假如有一天亲戚亲戚朋友儿能充分理解什么规律,或许还可以揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的其他便在于其“决定性”。假如有一天你了解某个系统的完整性特性(这里所说的“系统”还可以是单个粒子、也还可以是地球上的天气规律、甚至还可以是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就还可以精准地预测这俩 系统的未来走向。这就是 所谓的“决定论”。物理学家正是利用这其他,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但亲戚亲戚朋友儿发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。亲戚亲戚朋友儿最早在19世纪就意识到了这其他。当时的瑞典国王曾针对“三体什么的问题”进行悬赏,谁能处置这俩 什么的问题,便可得到奖励。三体什么的问题研究的主就是 利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假如有一天太阳系中含有好几个 多 天体仅靠引力发生相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但假如有一天向这俩 引力系统中引入第有好几个 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,但并未真正处置三体什么的问题。相反,他针对该什么的问题撰写了一篇论文,完整性解释了该什么的问题不可解的愿因。其中含好几个 多 关键愿因是,系统起始时哪怕只能一丁点微小差别,到前一天开始英语 时都会愿因天差地别。

  这俩 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。老要到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,科学家才前一天开始英语 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,机会他每次输入的数据都完整性相同,已经 他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,这俩 模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕前一天开始英语 时只能其他点化整误差、连一百分之一都不 到,也会愿因该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的这俩 什么的问题,就是 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,机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。但天气系统并都不 有好几个 多 。一次微欠缺道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便机会使天气发生巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处这样,甚至遍及整个宇宙。将有好几个 多 单摆连接在有好几个 多 单摆末端,就得到了有好几个 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什么的问题也是有好几个 多 混沌系统;物种随时间的演变也是有好几个 多 混沌系统……没错,混沌的确无处这样。

  初始条件的敏感性愿因,亲戚亲戚朋友儿永远无法对混沌系统做出准确预测,机会亲戚亲戚朋友儿不机会得知系统发生的确切走向。假如有一天在这俩 过程中要素了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的状况了。

  这就是 天气预报不机会百分之百精确的愿因。

  分形的秘密

  在这俩 不可选用性和混沌手中,深藏着其他令人惊讶的特性。什么特性在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了有好几个 多 系统在不同時 间点上发生的状况。机会你知道有好几个 多 系统在特定时间拥有什么属性,就还可以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。给你再选用有好几个 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太少。有了足够多的点,你就还可以观察到系统在这俩 时期的行为变化了。

  其他系统会呈现出有一种叫雷“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终都会演变为本人倾向的某个特定状况。类似,无论你在山谷中的哪个位置扔下有好几个 多 球,它最终都会滚落到谷底。已经 谷底就是 这俩 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,也发现了有好几个 多 吸引子。但这俩 吸引子不同于他前一天见过的任何事物。他的天气系统都不 一定规律可言,但同有一种状况从未重复再次出現过。也就是 说,相空间中永远不用再次出現相互重叠的有好几个 多 点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有有好几个 多 吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列状况;但同有一种状况从未再次出現过两次。唯一能描述这俩 特殊构造的只能所谓的“分形”特性。

  假如有一天将洛伦兹天气系统的相空间的某一要素放大观察,就会想看 它的特性与整个相空间完整性相同,只不过缩小了其他;而机会从这俩 要素中再截取出一要素放大观察,又会想看 同有好几个 多 “吸引子”的缩小版……以此类推。这俩 无论为社 放大、看上去都与有好几个 多 相同的特性就叫做“分形”。

  已经 ,该天气系统的确有有好几个 多 吸引子,就是 很奇特而已。已经 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机会发生奇异吸引子。

  亲戚亲戚朋友儿尚未弄清奇异吸引子的本质、它们的重要性、以及如何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。什么混沌系统在一定程度上也机会具有决定性和可预测性,就是 亲戚亲戚朋友儿目前还不甚了然。就目前来说,亲戚亲戚朋友儿还是先努力处置天气预报的什么的问题吧。