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,倒不完有的是时会它很简化(有许多问题报告 比这简化得多,科学家都能轻松除理),要是时会两种 更根本的愿因分析:科学家在20世纪中叶发现,你可不时需们 所在的你你什儿 宇宙十分混乱,从许多方面而言删剪不可预测。但在你你什儿 混沌深处,却又暗藏着许多令人惊奇的规律。假如你可不时需们 能充分理解那此规律,或许可不时需揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的许多便在于其“决定性”。假如你了解某个系统的删剪特性(这里所说的“系统”可不时需是单个粒子、也可不时需是地球上的天气规律、甚至可不时需是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就可不时需精准地预测你你什儿 系统的未来走向。这要是所谓的“决定论”。物理学家正是利用你你什儿 点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但你可不时需们 发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。你可不时需们 最早在19世纪就意识到了你你什儿 点。当时的瑞典国王曾针对“三体问题报告 ”进行悬赏,谁能除理你你什儿 问题报告 ,便可得到奖励。三体问题报告 研究的主要是利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假如太阳系所含一另另一个天体仅靠引力居于相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但假如向你你什儿 引力系统中引入第一另另一个天体,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,但并未真正除理三体问题报告 。相反,他针对该问题报告 撰写了一篇论文,删剪解释了该问题报告 不可解的愿因分析。其中一另另一个关键愿因分析是,系统起始时哪怕要能一丁点微小差别,到刚开始时都会愿因分析天差地别。

  你你什儿 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。一直到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,时会他每次输入的数据都删剪相同,时会他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,你你什儿 模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕刚开始时要能许多点化整误差、连一百分之一有的是到,也会愿因分析该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的你你什儿 问题报告 ,要是所谓的“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,时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。但天气系统虽然原本 。一次微不足英文道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便时会使天气居于巨变(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。将一另另一个单摆连接在原本 单摆末端,就得到了一另另一个非常简单、却又十分混沌的系统;令庞加莱大伤脑筋的三体问题报告 也是一另另一个混沌系统;物种随时间的演变也是一另另一个混沌系统……没错,混沌的确无处没哟。

  初始条件的敏感性愿因分析分析,你可不时需们 永远无法对混沌系统做出准确预测,时会你可不时需们 不时会得知系统居于的确切走向。假如在你你什儿 过程中偏离 了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的具体情况了。

  这要是天气预报不时会百分之百精确的愿因分析。

  分形的秘密

  在你你什儿 不可取舍性和混沌身前,深藏着许多令人惊讶的特性。那此特性在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了一另另一个系统在不同去间点上居于的具体情况。时会你知道一另另一个系统在特定时间拥有那此属性,就可不时需在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其具体情况和属性也在不断变化。你可不时需再取舍一另另一个时间点,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无需 。有了足够多的点,你就可不时需观察到系统在你你什儿 时期的行为变化了。

  许多系统会呈现出两种 名叫“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具体情况。例如,无论你在山谷中的哪个位置扔下一另另一个球,它最终都会滚落到谷底。时会谷底要是你你什儿 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,也发现了一另另一个吸引子。但你你什儿 吸引子不同于他时会见过的任何事物。他的天气系统有的是一定规律可言,但同两种 具体情况从未重复再次出显过。也要是说,相空间中永远无需再次出显相互重叠的一另另一个点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有一另另一个吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列具体情况;但同两种 具体情况从未再次出显过两次。唯一能描述你你什儿 特殊构造的要能所谓的“分形”特性。

  假如将洛伦兹天气系统的相空间的某一偏离 放大观察,就会看了它的特性与整个相空间删剪相同,只不过缩小了许多;而时会从你你什儿 偏离 中再截取出一偏离 放大观察,又会看了同一另另一个“吸引子”的缩小版……以此类推。你你什儿 无论为什么么放大、看上去都与原本 相同的特性就叫做“分形”。

  时会,该天气系统的确有一另另一个吸引子,要是很奇特而已。时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时会居于奇异吸引子。

  你可不时需们 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。那此混沌系统在一定程度上也时会具有决定性和可预测性,要是你可不时需们 目前还不甚了然。就目前来说,你可不时需们 还是先努力除理天气预报的问题报告 吧。