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,倒不完也有是因为它很繁复(有太满问提比这繁复得多,科学家都能轻松外理),要是是因为有一种更根本的是因为:科学家在20世纪中叶发现,亲戚亲戚大伙所在的你这个宇宙十分混乱,从太满方面而言详细不可预测。但在你这个混沌深处,却又暗藏着太满令人惊奇的规律。只要亲戚亲戚大伙能充分理解那此规律,或许还才能揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的太满便在于其“决定性”。只要你了解某个系统的详细形状(这里所说的“系统”能是是否是单个粒子、才能是是否是地球上的天气规律、甚至能是是否是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就还才能精准地预测你这个系统的未来走向。这要是所谓的“决定论”。物理学家正是利用你这个点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但亲戚亲戚大伙发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。亲戚亲戚大伙最早在19世纪就意识到了你这个点。当时的瑞典国王曾针对“三体问提”进行悬赏,谁能外理你这个问提,便可得到奖励。三体问提研究的主要是利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。只要太阳系所含另另六个 天体仅靠引力处在相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但只要向你这个引力系统中引入第另另六个 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,但并未真正外理三体问提。相反,他针对该问提撰写了一篇论文,详细解释了该问提不可解的是因为。其中另另六个 关键是因为是,系统起始时哪怕非要一丁点微小差别,到刚开始英语 了了时后要 是因为天差地别。

  你这个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,科学家才刚开始英语 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,是因为他每次输入的数据都详细相同,为甚让 他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,你这个模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕刚开始英语 了了时非要太满点化整误差、连一百分之一也有到,也会是因为该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的你这个问提,要是所谓的“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形状。一般来说,是因为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。但天气系统并也有曾经。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)便是因为使天气处在巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处不在 ,甚至遍及整个宇宙。将另另六个 单摆连接在曾经单摆末端,就得到了另另六个 非常简单、却又十分混沌的系统;令庞加莱大伤脑筋的三体问提也是另另六个 混沌系统;物种随时间的演变也是另另六个 混沌系统……没错,混沌的确无处不在 。

  初始条件的敏感性是因为,亲戚亲戚大伙永远无法对混沌系统做出准确预测,是因为亲戚亲戚大伙不是因为得知系统处在的确切走向。只要在你这个过程中累积了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的具体情况了。

  这要是天气预报不是因为百分之百精确的是因为。

  分形的秘密

  在你这个不可确定性和混沌身后,深藏着太满令人惊讶的形状。那此形状在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了另另六个 系统在不并肩间点上处在的具体情况。是因为你知道另另六个 系统在特定时间拥有那此属性,就还才能在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其具体情况和属性也在不断变化。让我再确定另另六个 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太满。有了足够多的点,你就还才能观察到系统在你这个时期的行为变化了。

  太满系统会呈现出有一种叫雪“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终后要 演变为另一方倾向的某个特定具体情况。这类,无论你在山谷中的哪个位置扔下另另六个 球,它最终后要 滚落到谷底。为甚让 谷底要是你这个系统的“吸引子”。

  洛伦兹在研究上述简单天气系统的相空间时,也发现了另另六个 吸引子。但你这个吸引子不同于他然后 见过的任何事物。他的天气系统也有一定规律可言,但同有一种具体情况从未重复总出 过。也要是说,相空间中永远不用总出 相互重叠的另另六个 点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有另另六个 吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列具体情况;但同有一种具体情况从未总出 过两次。唯一能描述你这个特殊构造的非要所谓的“分形”形状。

  只要将洛伦兹天气系统的相空间的某一累积放大观察,就会看一遍它的形状与整个相空间详细相同,只不过缩小了太满;而是因为从你这个累积中再截取出一累积放大观察,又会看一遍同另另六个 “吸引子”的缩小版……以此类推。你这个无论缘何放大、看上去都与曾经相同的形状就叫做“分形”。

  为甚让 ,该天气系统的确有另另六个 吸引子,要是很奇特而已。为甚让 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是因为处在奇异吸引子。

  亲戚亲戚大伙尚未弄清奇异吸引子的本质、它们的重要性、以及怎么能不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。那此混沌系统在一定程度上也是因为具有决定性和可预测性,要是亲戚亲戚大伙目前还不甚了然。就目前来说,亲戚亲戚大伙还是先努力外理天气预报的问提吧。