不可预测的宇宙:暗藏着令人惊奇规律的混沌理论

  • 时间:
  • 浏览:3
  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,倒不完整性部完整性都是可能性它很繁杂(有或者 间题比这繁杂得多,科学家都能轻松避免),就说 可能性或者 更根本的原因:科学家在20世纪中叶发现,大家所在的或者 宇宙十分混乱,从或者 方面而言完整性不可预测。但在或者 混沌深处,却又暗藏着或者 令人惊奇的规律。假如有一天大家能充分理解哪些规律,或许可不才能揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的或者 便在于其“决定性”。假如有一天你了解某个系统的完整性特征(这里所说的“系统”可不才能是单个粒子、也可不才能是地球上的天气规律、甚至可不才能是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就可不才能精准地预测或者 系统的未来走向。这就说 所谓的“决定论”。物理学家正是利用或者 点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但大家发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。大家最早在19世纪就意识到了或者 点。当时的瑞典国王曾针对“三体间题”进行悬赏,谁能避免或者 间题,便可得到奖励。三体间题研究的主就说 利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假如有一天太阳系带有另一一十个 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。但假如有一天向或者 引力系统中引入第另一一十个 多多 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,但并未真正避免三体间题。相反,他针对该间题撰写了一篇论文,完整性解释了该间题不可解的原因。其中另一一十个 多多 关键原因是,系统起始时哪怕没法一丁点微小差别,到始于时完整性都是原因天差地别。

  或者 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。时不时到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,可能性他每次输入的数据都完整性相同,或者他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,或者 模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕始于时没法或者 点化整误差、连一百分之一完整性完整性都是到,也会原因该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的或者 间题,就说 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,可能性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。但天气系统并完整性完整性都是从前。一次微匮乏道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便可能性使天气存在巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处都没法,甚至遍及整个宇宙。将另一一十个 多多 单摆连接在从前单摆末端,就得到了另一一十个 多多 非常简单、却又十分混沌的系统;令庞加莱大伤脑筋的三体间题也是另一一十个 多多 混沌系统;物种随时间的演变也是另一一十个 多多 混沌系统……没错,混沌的确无处都没法。

  初始条件的敏感性原因,大家永远无法对混沌系统做出准确预测,可能性大家可能性性得知系统存在的确切走向。假如有一天在或者 过程中主次了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的状态了。

  这就说 天气预报可能性性百分之百精确的原因。

  分形的秘密

  在或者 不可选用性和混沌转过身,深藏着或者 令人惊讶的特征。哪些特征在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了另一一十个 多多 系统在不一起去间点上存在的状态。可能性你知道另一一十个 多多 系统在特定时间拥哪些属性,就可不才能在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其状态和属性也在不断变化。让他再选用另一一十个 多多 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,你就可不才能观察到系统在或者 时期的行为变化了。

  或者 系统会呈现出或者 叫兰“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终完整性都是演变为当时人倾向的某个特定状态。类事,无论你在山谷中的哪个位置扔下另一一十个 多多 球,它最终完整性都是滚落到谷底。或者谷底就说 或者 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,也发现了另一一十个 多多 吸引子。但或者 吸引子不同于他刚刚见过的任何事物。他的天气系统完整性完整性都是一定规律可言,但同或者 状态从未重复出現过。也就说 说,相空间中永远不都没法現相互重叠的另一一十个 多多 点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有另一一十个 多多 吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列状态;但同或者 状态从未出現过两次。唯一能描述或者 特殊构造的没法所谓的“分形”特征。

  假如有一天将洛伦兹天气系统的相空间的某一主次放大观察,就会看多它的特征与整个相空间完整性相同,只不过缩小了或者 ;而可能性从或者 主次中再截取出一主次放大观察,又会看多同另一一十个 多多 “吸引子”的缩小版……以此类推。或者 无论缘何放大、看上去都与从前相同的特征就叫做“分形”。

  或者,该天气系统的确有另一一十个 多多 吸引子,就说 很奇特而已。或者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能性存在奇异吸引子。

  大家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。哪些混沌系统在一定程度上也可能性具有决定性和可预测性,就说 大家目前还不甚了然。就目前来说,大家还是先努力避免天气预报的间题吧。