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 将会它很错综复杂(有一点问题图片比这错综复杂得多,科学家都能轻松处里),可是我我将会某种生活更根本的由于:科学家在20世纪中叶发现,一点人所在的某种生活宇宙十分混乱,从一点方面而言删剪不可预测。但在某种生活混沌深处,却又暗藏着一点令人惊奇的规律。假使 一点人能充分理解那先 规律,或许时会 揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的一点便在于其“决定性”。假使 你了解某个系统的删剪行态(这里所说的“系统”时会 是单个粒子、也时会 是地球上的天气规律、甚至时会 是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就时会 精准地预测某种生活系统的未来走向。这可是我我所谓的“决定论”。物理学家正是利用某种生活点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但一点人发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。一点人最早在19世纪就意识到了某种生活点。当时的瑞典国王曾针对“三体问题图片”进行悬赏,谁能处里某种生活问题图片,便可得到奖励。三体问题图片研究的主可是我我利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假使 太阳系含有兩个 多多多天体仅靠引力存在相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但假使 向某种生活引力系统中引入第兩个 多多多天体,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,但并未真正处里三体问题图片。相反,他针对该问题图片撰写了一篇论文,删剪解释了该问题图片不可解的由于。其中兩个 多多多关键由于是,系统起始时哪怕只有一丁点微小差别,到结速英语 了时时会由于天差地别。

  某种生活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。老要到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,科学家才结速英语 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,将会他每次输入的数据都删剪相同,为甚给你用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,某种生活模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕结速英语 了了时只有一点点化整误差、连一百分之一时会 到,也会由于该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的某种生活问题图片,可是我我所谓的“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行态。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。但天气系统并时会 没办法 。一次微匮乏道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便将会使天气存在巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处没办法 ,甚至遍及整个宇宙。将兩个 多多多单摆连接在没办法 单摆末端,就得到了兩个 多多多非常简单、却又十分混沌的系统;令庞加莱大伤脑筋的三体问题图片也是兩个 多多多混沌系统;物种随时间的演变也是兩个 多多多混沌系统……没错,混沌的确无处没办法 。

  初始条件的敏感性由于,一点人永远无法对混沌系统做出准确预测,将会一点人不将会得知系统存在的确切走向。假使 在某种生活过程中部分了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的状态了。

  这可是我我天气预报不将会百分之百精确的由于。

  分形的秘密

  在某种生活不可选泽性和混沌面前,深藏着一点令人惊讶的行态。那先 行态在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了兩个 多多多系统在不一块儿间点上存在的状态。将会你知道兩个 多多多系统在特定时间拥有那先 属性,就时会 在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其状态和属性也在不断变化。给你再选泽兩个 多多多时间点,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太大。有了足够多的点,你就时会 观察到系统在某种生活时期的行为变化了。

  一点系统会呈现出某种生活叫金“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终时会演变为此人 倾向的某个特定状态。相似,无论你在山谷中的哪个位置扔下兩个 多多多球,它最终时会滚落到谷底。很久谷底可是我我某种生活系统的“吸引子”。

  洛伦兹在研究上述简单天气系统的相空间时,也发现了兩个 多多多吸引子。但某种生活吸引子不同于他很久见过的任何事物。他的天气系统时会 一定规律可言,但同某种生活状态从未重复跳出过。也可是我我说,相空间中永远无需跳出相互重叠的兩个 多多多点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有兩个 多多多吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列状态;但同某种生活状态从未跳出过两次。唯一能描述某种生活特殊构造的只有所谓的“分形”行态。

  假使 将洛伦兹天气系统的相空间的某一部分放大观察,就会想看 它的行态与整个相空间删剪相同,只不过缩小了一点;而将会从某种生活部分中再截取出一部分放大观察,又会想看 同兩个 多多多“吸引子”的缩小版……以此类推。某种生活无论缘何放大、看上去都与没办法 相同的行态就叫做“分形”。

  很久,该天气系统的确有兩个 多多多吸引子,可是我我很奇特而已。很久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存在奇异吸引子。

  一点人尚未弄清奇异吸引子的本质、它们的重要性、以及怎么才能 才能 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,可是我我一点人目前还不甚了然。就目前来说,一点人还是先努力处里天气预报的问题图片吧。