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,倒不删剪部都不 将会它很比较复杂(有必须 来太少问题图片图片比这比较复杂得多,科学家都能轻松正确处理),本来将会四种 更根本的因为:科学家在20世纪中叶发现,.我都所在的这一宇宙十分混乱,从必须 来太少方面而言删剪不可预测。但在这一混沌深处,却又暗藏着必须 来太少令人惊奇的规律。假使 .我都能充分理解有有哪些规律,或许太少再 揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的必须 来太少便在于其“决定性”。假使 你了解某个系统的删剪特性(这里所说的“系统”太少再 是单个粒子、太少再 能是地球上的天气规律、甚至太少再 是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就太少再 精准地预测这一系统的未来走向。这本来所谓的“决定论”。物理学家正是利用这一点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但.我都发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。.我都最早在19世纪就意识到了这一点。当时的瑞典国王曾针对“三体问题图片图片”进行悬赏,谁能正确处理这一问题图片图片,便可得到奖励。三体问题图片图片研究的主本来利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假使 太阳系含高本来天体仅靠引力占据 相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但假使 向这一引力系统中引入第本来天体,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问题图片图片。相反,他针对该问题图片图片撰写了一篇论文,删剪解释了该问题图片图片不可解的因为。其中本来关键因为是,系统起始时哪怕必须一丁点微小差别,到现在本来刚结速时都不 因为天差地别。

  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。另有2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,科学家才现在本来刚结速转变观念。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,将会他每次输入的数据都删剪相同,本来 他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,这一模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕现在本来刚结速时必须必须 来太少点化整误差、连一百分之一删剪都不 到,也会因为该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的这一问题图片图片,本来所谓的“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,将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。但天气系统并删剪都不 本来。一次微过低道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便将会使天气占据 巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处不出,甚至遍及整个宇宙。将本来单摆连接在本来单摆末端,就得到了本来非常简单、却又十分混沌的系统;令庞加莱大伤脑筋的三体问题图片图片也是本来混沌系统;物种随时间的演变也是本来混沌系统……没错,混沌的确无处不出。

  初始条件的敏感性因为着,.我都永远无法对混沌系统做出准确预测,将会.我都不将会得知系统占据 的确切走向。假使 在这一过程中每种了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的情形了。

  这本来天气预报不将会百分之百精确的因为。

  分形的秘密

  在这一不可选着 性和混沌身后,深藏着必须 来太少令人惊讶的特性。有有哪些特性在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了本来系统在不同時 间点上占据 的情形。将会你知道本来系统在特定时间拥有有哪些属性,就太少再 在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其情形和属性也在不断变化。我能 再选着 本来时间点,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必须 多。有了足够多的点,你就太少再 观察到系统在这一时期的行为变化了。

  必须 来太少系统会呈现出四种 叫兰“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终都不 演变为当时人倾向的某个特定情形。这一于,无论你在山谷中的哪个位置扔下本来球,它最终都不 滚落到谷底。本来 谷底本来这一系统的“吸引子”。

  洛伦兹在研究上述简单天气系统的相空间时,也发现了本来吸引子。但这一吸引子不同于他以前见过的任何事物。他的天气系统删剪都不 一定规律可言,但同四种 情形从未重复另有2个劲再次出现过。也本来说,相空间中永远太少再另有2个劲再次出现相互重叠的本来点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有本来吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列情形;但同四种 情形从未另有2个劲再次出现过两次。唯一能描述这一特殊构造的必须所谓的“分形”特性。

  假使 将洛伦兹天气系统的相空间的某一每种放大观察,就会想看 它的特性与整个相空间删剪相同,只不过缩小了必须 来太少;而将会从这一每种中再截取出一每种放大观察,又会想看 同本来“吸引子”的缩小版……以此类推。这一无论为什么在么在放大、看上去都与本来相同的特性就叫做“分形”。

  本来 ,该天气系统的确有本来吸引子,本来很奇特而已。本来 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将会占据 奇异吸引子。

  .我都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。有有哪些混沌系统在一定程度上也将会具有决定性和可预测性,本来.我都目前还不甚了然。就目前来说,.我都还是先努力正确处理天气预报的问题图片图片吧。