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,倒不完一定会将会它我不要 样化(有我不要 大问题比这多样化得多,科学家都能轻松出理 ),也不将会我不要 更根本的原困:科学家在20世纪中叶发现,我们歌词 歌词 所在的我不要 宇宙十分混乱,从我不要 方面而言完整篇 不可预测。但在我不要 混沌深处,却又暗藏着我不要 令人惊奇的规律。咋样让们能充分理解那先 规律,或许能不也能揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的我不要 便在于其“决定性”。咋样让你了解某个系统的完整篇 外部(这里所说的“系统”能不也能是单个粒子、也能不也能是地球上的天气规律、甚至能不也能是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就能不也能精准地预测我不要 系统的未来走向。这也不所谓的“决定论”。物理学家正是利用我不要 点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但我们歌词 歌词 发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。我们歌词 歌词 最早在19世纪就意识到了我不要 点。当时的瑞典国王曾针对“三体大问题”进行悬赏,谁能出理 我不要 大问题,便可得到奖励。三体大问题研究的主也不利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。咋样让太阳系富含另1个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。但咋样让向我不要 引力系统中引入第另1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,但并未真正出理 三体大问题。相反,他针对该大问题撰写了一篇论文,完整篇 解释了该大问题不可解的原困。其中另1个关键原困是,系统起始时哪怕不也能一丁点微小差别,到刚结束时一定会原困天差地别。

  我不要 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。1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,科学家才刚结束了转变观念。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,将会他每次输入的数据都完整篇 相同,咋样让他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,我不要 模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕刚结束了时不也能我不要 点化整误差、连一百分之一一定会到,也会原困该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的我不要 大问题,也不所谓的“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外部。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。但天气系统并一定会原先。一次微缺陷道的变化(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,混沌系统无处没得,甚至遍及整个宇宙。将另1个单摆连接在原先单摆末端,就得到了另1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大问题也是另1个混沌系统;物种随时间的演变也是另1个混沌系统……没错,混沌的确无处没得。

  初始条件的敏感性原困,我们歌词 歌词 永远无法对混沌系统做出准确预测,将会我们歌词 歌词 不将会得知系统位于的确切走向。咋样让在我不要 过程中累积了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的请况了。

  这也不天气预报不将会百分之百精确的原困。

  分形的秘密

  在我不要 不可选泽性和混沌身前,深藏着我不要 令人惊讶的外部。那先 外部在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了另1个系统在不一起间点上位于的请况。将会你知道另1个系统在特定时间拥有那先 属性,就能不也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。我能 再选泽另1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我不要 。有了足够多的点,你就能不也能观察到系统在我不要 时期的行为变化了。

  我不要 系统会呈现出我不要 名叫“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终一定会演变为当事人倾向的某个特定请况。之类,无论你在山谷中的哪个位置扔下另1个球,它最终一定会滚落到谷底。咋样让谷底也不我不要 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1个吸引子。但我不要 吸引子不同于他日后见过的任何事物。他的天气系统一定会一定规律可言,但同我不要 请况从未重复跳出过。也也不说,相空间中永远我不要 跳出相互重叠的另1个点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有另1个吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列请况;但同我不要 请况从未跳出过两次。唯一能描述我不要 特殊构造的不也能所谓的“分形”外部。

  咋样让将洛伦兹天气系统的相空间的某一累积放大观察,就会都看它的外部与整个相空间完整篇 相同,只不过缩小了我不要 ;而将会从我不要 累积中再截取出一累积放大观察,又会都看同另1个“吸引子”的缩小版……以此类推。我不要 无论咋样会放大、看上去都与原先相同的外部就叫做“分形”。

  咋样让,该天气系统的确有另1个吸引子,也不很奇特而已。咋样让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位于奇异吸引子。

  我们歌词 歌词 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。那先 混沌系统在一定程度上也将会具有决定性和可预测性,也不我们歌词 歌词 目前还不甚了然。就目前来说,我们歌词 歌词 还是先努力出理 天气预报的大问题吧。