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,倒不完都在可能性它很僵化 (有或多或少问题报告 比这僵化 得多,科学家都能轻松解决),只是可能性某种更根本的是是因为 :科学家在20世纪中叶发现,或多或少人 所在的这些 宇宙十分混乱,从或多或少方面而言删改不可预测。但在这些 混沌深处,却又暗藏着或多或少令人惊奇的规律。时会 我我或多或少人 能充分理解哪些地方地方规律,或许还能够揭露出更多事情的真相。

  理解混沌

  物理学最美妙的或多或少便在于其“决定性”。时会 我我你了解某个系统的删改特征(这里所说的“系统”还能够是单个粒子、也还能够是地球上的天气规律、甚至还能够是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就还能够精准地预测这些 系统的未来走向。这只是所谓的“决定论”。物理学家正是利用这些 点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。

  但或多或少人 发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。或多或少人 最早在19世纪就意识到了这些 点。当时的瑞典国王曾针对“三体问题报告 ”进行悬赏,谁能解决这些 问题报告 ,便可得到奖励。三体问题报告 研究的主只是利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。时会 我我太阳系带有有有一有3个天体仅靠引力地处相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但时会 我我向这些 引力系统中引入第有有一有3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,但并未真正解决三体问题报告 。相反,他针对该问题报告 撰写了一篇论文,删改解释了该问题报告 不可解的是是因为 。其带有有一有3个关键是是因为 是,系统起始时哪怕越来越一丁点微小差别,到现在开始了了时时会 是是因为 天差地别。

  这些 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。经常到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,科学家才现在开始了了转变观念。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,可能性他每次输入的数据都删改相同,为何让他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。

  事实上,这些 模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕现在开始了了时越来越或多或少点化整误差、连一百分之一都在到,也会是是因为 该系统模拟出的天气全然不同。

  洛伦兹发现的这些 问题报告 ,只是所谓的“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特征。一般来说,可能性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。但天气系统并都在越来越 。一次微欠缺道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便可能性使天气地处巨变(如大西洋形成了一场新的飓风)。

  事实上,混沌系统无处都越来越,甚至遍及整个宇宙。将有有一有3个单摆连接在越来越 单摆末端,就得到了有有一有3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题报告 也是有有一有3个混沌系统;物种随时间的演变也是有有一有3个混沌系统……没错,混沌的确无处都越来越。

  初始条件的敏感性是是因为 ,或多或少人 永远无法对混沌系统做出准确预测,可能性或多或少人 可能性性得知系统地处的确切走向。时会 我在这些 过程中每种了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的情况汇报了。

  这只是天气预报可能性性百分之百精确的是是因为 。

  分形的秘密

  在这些 不可选择性和混沌身前,深藏着或多或少令人惊讶的特征。哪些地方地方特征在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了有有一有3个系统在不并肩间点上地处的情况汇报。可能性你知道有有一有3个系统在特定时间拥哪些地方地方属性,就还能够在相空间中描述出对应的点。随着系统不断演变,其情况汇报和属性也在不断变化。为何我想要再选择有有一有3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多。有了足够多的点,你就还能够观察到系统在这些 时期的行为变化了。

  或多或少系统会呈现出某种叫兰“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终时会 演变为当时人倾向的某个特定情况汇报。之类,无论你在山谷中的哪个位置扔下有有一有3个球,它最终时会 滚落到谷底。为何让谷底只是这些 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,也发现了有有一有3个吸引子。但这些 吸引子不同于他时会 见过的任何事物。他的天气系统都在一定规律可言,但同某种情况汇报从未重复经常出显过。也只是说,相空间中永远太多再经常出显相互重叠的有有一有3个点。

  矛盾之处

  这看上去明显很矛盾:系统有有有一有3个吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列情况汇报;但同某种情况汇报从未经常出显过两次。唯一能描述这些 特殊构造的越来越所谓的“分形”特征。

  时会 我我将洛伦兹天气系统的相空间的某一每种放大观察,就会看到它的特征与整个相空间删改相同,只不过缩小了或多或少;而可能性从这些 每种中再截取出一每种放大观察,又会看到同有有一有3个“吸引子”的缩小版……以此类推。这些 无论为何会么会放大、看上去都与越来越 相同的特征就叫做“分形”。

  为何让,该天气系统的确有有有一有3个吸引子,只是很奇特而已。为何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可能性地处奇异吸引子。

  或多或少人 尚未弄清奇异吸引子的本质、它们的重要性、以及怎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。哪些地方地方混沌系统在一定程度上也可能性具有决定性和可预测性,只是或多或少人 目前还不甚了然。就目前来说,或多或少人 还是先努力解决天气预报的问题报告 吧。