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,倒不完都是但会 它很繁杂(有许多疑问报告 比这繁杂得多,科学家都能轻松正确处理),假如但会 许多更根本的意味:科学家在20世纪中叶发现,亲戚朋友 所在的许多宇宙十分混乱,从许多方面而言完全不可预测。但在许多混沌深处,却又暗藏着许多令人惊奇的规律。假如亲戚朋友 能充分理解哪些地方地方规律,或许还才能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完全型态(这里所说的“系统”能与否单个粒子、才能与否地球上的天气规律、甚至能与否整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就还才能精准地预测许多系统的未来走向。这假如所谓的“决定论”。物理学家正是利用许多点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但亲戚朋友 发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。亲戚朋友 最早在19世纪就意识到了许多点。当时的瑞典国王曾针对“三体疑问报告 ”进行悬赏,谁能正确处理许多疑问报告 ,便可得到奖励。三体疑问报告 研究的主假如利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假如太阳系中另另2个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。但假如向许多引力系统中引入第另另2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,但并未真正正确处理三体疑问报告 。相反,他针对该疑问报告 撰写了一篇论文,完全解释了该疑问报告 不可解的意味。其中另另2个关键意味是,系统起始时哪怕还才能了一丁点微小差别,到开始英文英语 时回会意味天差地别。

  许多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。一个劲到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,科学家才开始英文英语 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,但会 他每次输入的数据都完全相同,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,许多模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕开始英文英语 时还才能了许多点化整误差、连一百分之一都是到,也会意味该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的许多疑问报告 ,假如所谓的“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型态。一般来说,但会 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。但天气系统并都是从前。一次微发生问题道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便但会 使天气发生巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处没得,甚至遍及整个宇宙。将另另2个单摆连接在从前单摆末端,就得到了另另2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疑问报告 也是另另2个混沌系统;物种随时间的演变也是另另2个混沌系统……没错,混沌的确无处没得。

  初始条件的敏感性意味分析,亲戚朋友 永远无法对混沌系统做出准确预测,但会 亲戚朋友 不但会 得知系统发生的确切走向。假如在许多过程中主次了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的情况了。

  这假如天气预报不但会 百分之百精确的意味。

  分形的秘密

  在许多不可确定性和混沌肩头,深藏着许多令人惊讶的型态。哪些地方地方型态在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了另另2个系统在不一起去间点上发生的情况。但会 你知道另另2个系统在特定时间拥哪些地方地方属性,就还才能在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其情况和属性也在不断变化。你要再确定另另2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过多。有了足够多的点,你就还才能观察到系统在许多时期的行为变化了。

  许多系统会呈现出许多叫石“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终回会演变为另一方倾向的某个特定情况。类事,无论你在山谷中的哪个位置扔下另另2个球,它最终回会滚落到谷底。但会 谷底假如许多系统的“吸引子”。

  洛伦兹在研究上述简单天气系统的相空间时,也发现了另另2个吸引子。但许多吸引子不同于他过后见过的任何事物。他的天气系统都是一定规律可言,但同许多情况从未重复出显 过。也假如说,相空间中永远回会出显 相互重叠的另另2个点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统另另2个吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列情况;但同许多情况从未出显 过两次。唯一能描述许多特殊构造的还才能了所谓的“分形”型态。

  假如将洛伦兹天气系统的相空间的某一主次放大观察,就会看完它的型态与整个相空间完全相同,只不过缩小了许多;而但会 从许多主次中再截取出一主次放大观察,又会看完同另另2个“吸引子”的缩小版……以此类推。许多无论咋样放大、看上去都与从前相同的型态就叫做“分形”。

  但会 ,该天气系统的确另另2个吸引子,假如很奇特而已。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但会 发生奇异吸引子。

  亲戚朋友 尚未弄清奇异吸引子的本质、它们的重要性、以及咋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。哪些地方地方混沌系统在一定程度上也但会 具有决定性和可预测性,假如亲戚朋友 目前还不甚了然。就目前来说,亲戚朋友 还是先努力正确处理天气预报的疑问报告 吧。