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,倒不完都是肯能它有些样化(有有些大难题比这多样化得多,科学家都能轻松正确处理),要是我肯能并都是更根本的原应:科学家在20世纪中叶发现,有些人 所在的有些宇宙十分混乱,从有些方面而言完整版不可预测。但在有些混沌深处,却又暗藏着有些令人惊奇的规律。假使 有些人 能充分理解那此规律,或许都可不可以 揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的有些便在于其“决定性”。假使 你了解某个系统的完整版型态(这里所说的“系统”都可不可以 是单个粒子、也都可不可以 是地球上的天气规律、甚至都可不可以 是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就都可不可以 精准地预测有些系统的未来走向。这要是我所谓的“决定论”。物理学家正是利用有些点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但有些人 发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。有些人 最早在19世纪就意识到了有些点。当时的瑞典国王曾针对“三体大难题”进行悬赏,谁能正确处理有些大难题,便可得到奖励。三体大难题研究的主要是我利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假使 太阳系中俩个多多多天体仅靠引力处于相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但假使 向有些引力系统中引入第俩个多多天体,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,但并未真正正确处理三体大难题。相反,他针对该大难题撰写了一篇论文,完整版解释了该大难题不可解的原应。其中俩个多多关键原应是,系统起始时哪怕越来越一丁点微小差别,到之前 开使时都可不可以 原应天差地别。

  有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。时不时到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,科学家才之前 开使转变观念。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,肯能他每次输入的数据都完整版相同,如何会让你 用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,有些模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕之前 开使时越来越有些点化整误差、连一百分之一都是到,也会原应该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的有些大难题,要是我所谓的“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,肯能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)便肯能使天气处于巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处越来越了,甚至遍及整个宇宙。将俩个多多单摆连接在那我 单摆末端,就得到了俩个多多非常简单、却又十分混沌的系统;令庞加莱大伤脑筋的三体大难题也是俩个多多混沌系统;物种随时间的演变也是俩个多多混沌系统……没错,混沌的确无处越来越了。

  初始条件的敏感性原应,有些人 永远无法对混沌系统做出准确预测,肯能有些人 不肯能得知系统处于的确切走向。假使 在有些过程中主次了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的状况了。

  这要是我天气预报不肯能百分之百精确的原应。

  分形的秘密

  在有些不可选着性和混沌肩头,深藏着有些令人惊讶的型态。那此型态在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了俩个多多系统在不一齐间点上处于的状况。肯能你知道俩个多多系统在特定时间拥有那此属性,就都可不可以 在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其状况和属性也在不断变化。让你 再选着俩个多多时间点,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越来越多。有了足够多的点,你就都可不可以 观察到系统在有些时期的行为变化了。

  有些系统会呈现出并都是叫雪“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终都可不可以 演变为自己倾向的某个特定状况。相似,无论你在山谷中的哪个位置扔下俩个多多球,它最终都可不可以 滚落到谷底。因此谷底要是我有些系统的“吸引子”。

  洛伦兹在研究上述简单天气系统的相空间时,也发现了俩个多多吸引子。但有些吸引子不同于他那我 见过的任何事物。他的天气系统都是一定规律可言,但同并都是状况从未重复时不时时不时出现过。也要是我说,相空间中永远不用时不时时不时出现相互重叠的俩个多多点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统俩个多多多吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列状况;但同并都是状况从未时不时时不时出现过两次。唯一能描述有些特殊构造的越来越所谓的“分形”型态。

  假使 将洛伦兹天气系统的相空间的某一主次放大观察,就会想看 它的型态与整个相空间完整版相同,只不过缩小了有些;而肯能从有些主次中再截取出一主次放大观察,又会想看 同俩个多多“吸引子”的缩小版……以此类推。有些无论如何会会在么在放大、看上去都与那我 相同的型态就叫做“分形”。

  因此,该天气系统的确俩个多多多吸引子,要是我很奇特而已。因此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肯能处于奇异吸引子。

  有些人 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。那此混沌系统在一定程度上也肯能具有决定性和可预测性,要是我有些人 目前还不甚了然。就目前来说,有些人 还是先努力正确处理天气预报的大难题吧。