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,倒不完时会意味着它很比较复杂(有一些什么的难题比这比较复杂得多,科学家都能轻松除理),时会意味着有一种更根本的意味:科学家在20世纪中叶发现,一些人所在的一些宇宙十分混乱,从一些方面而言完全不可预测。但在一些混沌深处,却又暗藏着一些令人惊奇的规律。也不一些人能充分理解什么规律,或许能够揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的一些便在于其“决定性”。也不你了解某个系统的完全型态(这里所说的“系统”也不算是单个粒子、也也不算是地球上的天气规律、甚至也不算是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就能够精准地预测一些系统的未来走向。这时会所谓的“决定论”。物理学家正是利用一些点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但一些人发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。一些人最早在19世纪就意识到了一些点。当时的瑞典国王曾针对“三体什么的难题”进行悬赏,谁能除理一些什么的难题,便可得到奖励。三体什么的难题研究的主时会利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。也不太阳系中十个 多多天体仅靠引力位于相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但也不向一些引力系统中引入第十个 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,但并未真正除理三体什么的难题。相反,他针对该什么的难题撰写了一篇论文,完全解释了该什么的难题不可解的意味。其中十个 多关键意味是,系统起始时哪怕能够能够 一丁点微小差别,到日后日后开始了了时时会意味天差地别。

  一些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。总是 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,科学家才日后日后刚开始了了转变观念。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,意味着他每次输入的数据都完全相同,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,一些模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕日后日后刚开始了了时能够能够 一些点化整误差、连一百分之一时会到,也会意味该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的一些什么的难题,时会所谓的“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,意味着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。但天气系统并时会时会。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)便意味着使天气位于巨变(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。将十个 多单摆连接在时会单摆末端,就得到了十个 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什么的难题也是十个 多混沌系统;物种随时间的演变也是十个 多混沌系统……没错,混沌的确无处没哟。

  初始条件的敏感性意味着,一些人永远无法对混沌系统做出准确预测,意味着一些人不意味着得知系统位于的确切走向。也不在一些过程中帕累托图了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的情形了。

  这时会天气预报不意味着百分之百精确的意味。

  分形的秘密

  在一些不可选择性和混沌手中,深藏着一些令人惊讶的型态。什么型态在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了十个 多系统在不一起间点上位于的情形。意味着你知道十个 多系统在特定时间拥有什么属性,就能够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。时会你再选择十个 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很多。有了足够多的点,你就能够观察到系统在一些时期的行为变化了。

  一些系统会呈现出有一种叫石“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终时会演变为另一方倾向的某个特定情形。类事 ,无论你在山谷中的哪个位置扔下十个 多球,它最终时会滚落到谷底。时会 谷底时会一些系统的“吸引子”。

  洛伦兹在研究上述简单天气系统的相空间时,也发现了十个 多吸引子。但一些吸引子不同于他日后见过的任何事物。他的天气系统时会一定规律可言,但同有一种情形从未重复出显过。都在日后说,相空间中永远不用出显相互重叠的十个 多点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统十个 多多吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列情形;但同有一种情形从未出显过两次。唯一能描述一些特殊构造的能够能够 所谓的“分形”型态。

  也不将洛伦兹天气系统的相空间的某一帕累托图放大观察,就会看得人它的型态与整个相空间完全相同,只不过缩小了一些;而意味着从一些帕累托图中再截取出一帕累托图放大观察,又会看得人同十个 多“吸引子”的缩小版……以此类推。一些无论缘何放大、看上去都与时会相同的型态就叫做“分形”。

  时会 ,该天气系统的确十个 多多吸引子,时会很奇特而已。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意味着位于奇异吸引子。

  一些人尚未弄清奇异吸引子的本质、它们的重要性、以及何如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意味着具有决定性和可预测性,时会一些人目前还不甚了然。就目前来说,一些人还是先努力除理天气预报的什么的难题吧。