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,倒不完都有 机会它很简化(有其他大大问题 比这简化得多,科学家都能轻松处里),我想要机会本身更根本的因为:科学家在20世纪中叶发现,亲戚亲戚大伙所在的你你这一 宇宙十分混乱,从其他方面而言完整篇 不可预测。但在你你这一 混沌深处,却又暗藏着其他令人惊奇的规律。假若亲戚亲戚大伙能充分理解什么规律,或许都都还后能 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”。假若你了解某个系统的完整篇 型态(这里所说的“系统”都都还后能 是单个粒子、只是需要 是地球上的天气规律、甚至都都还后能 是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就都都还后能 精准地预测你你这一 系统的未来走向。这我想要所谓的“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。

  但亲戚亲戚大伙发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。亲戚亲戚大伙最早在19世纪就意识到了这其他。当时的瑞典国王曾针对“三体大大问题 ”进行悬赏,谁能处里你你这一 大大问题 ,便可得到奖励。三体大大问题 研究的主我想要利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假若太阳系中一个多天体仅靠引力趋于稳定相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但假若向你你这一 引力系统中引入第一个多天体,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,但并未真正处里三体大大问题 。相反,他针对该大大问题 撰写了一篇论文,完整篇 解释了该大大问题 不可解的因为。其中一个多关键因为是,系统起始时哪怕都都还后能 一丁点微小差别,到结束英语 英语 时都有因为天差地别。

  你你这一 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,科学家才结束英语 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篇 相同,我想要他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,你你这一 模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕结束英语 英语 时都都还后能 其他点化整误差、连一百分之一都有 到,也会因为该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的你你这一 大大问题 ,我想要所谓的“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,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。但天气系统并都有 那我。一次微不够道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便机会使天气趋于稳定巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处找不到,甚至遍及整个宇宙。将一个多单摆连接在那我单摆末端,就得到了一个多非常简单、却又十分混沌的系统;令庞加莱大伤脑筋的三体大大问题 也是一个多混沌系统;物种随时间的演变也是一个多混沌系统……没错,混沌的确无处找不到。

  初始条件的敏感性因为,亲戚亲戚大伙永远无法对混沌系统做出准确预测,机会亲戚亲戚大伙不机会得知系统趋于稳定的确切走向。假若在你你这一 过程中部分了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的请况了。

  这我想要天气预报不机会百分之百精确的因为。

  分形的秘密

  在你你这一 不可选则性和混沌肩上,深藏着其他令人惊讶的型态。什么型态在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了一个多系统在不一块儿间点上趋于稳定的请况。机会你知道一个多系统在特定时间拥有什么属性,就都都还后能 在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其请况和属性也在不断变化。让我再选则一个多时间点,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没办法 多。有了足够多的点,你就都都还后能 观察到系统在你你这一 时期的行为变化了。

  其他系统会呈现出本身叫雷“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终都有演变为被委托人倾向的某个特定请况。这一,无论你在山谷中的哪个位置扔下一个多球,它最终都有滚落到谷底。我想要谷底我想要你你这一 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,也发现了一个多吸引子。但你你这一 吸引子不同于他前一天见过的任何事物。他的天气系统都有 一定规律可言,但同本身请况从未重复冒出 过。也我想要说,相空间中永远不必冒出 相互重叠的一个多点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统一个多多吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列请况;但同本身请况从未冒出 过两次。唯一能描述你你这一 特殊构造的都都还后能 所谓的“分形”型态。

  假若将洛伦兹天气系统的相空间的某一部分放大观察,就会看了它的型态与整个相空间完整篇 相同,只不过缩小了其他;而机会从你你这一 部分中再截取出一部分放大观察,又会看了同一个多“吸引子”的缩小版……以此类推。你你这一 无论为什么么么会放大、看上去都与那我相同的型态就叫做“分形”。

  我想要,该天气系统的确一个多多吸引子,我想要很奇特而已。我想要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趋于稳定奇异吸引子。

  亲戚亲戚大伙尚未弄清奇异吸引子的本质、它们的重要性、以及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。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,我想要亲戚亲戚大伙目前还不甚了然。就目前来说,亲戚亲戚大伙还是先努力处里天气预报的大大问题 吧。

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