秒速飞艇全天计划

1
2
位置:西E网秒速飞艇全天计划 > 解密 > 不可预测的宇宙:暗藏着令人惊奇规律的混沌理论

不可预测的宇宙:暗藏着令人惊奇规律的混沌理论

编辑:黄荣      信息来源: 西e网-新浪网发布时间:2019-12-16

 
  据国外媒体报道,精确进行天气预报是件非常困难的事情,倒不完全是因为它很复杂(有许多问题比这复杂得多,科学家都能轻松解决),而是由于某种更根本的原因:科学家在20世纪中叶发现,我们所在的这个宇宙十分混乱,从许多方面而言完全不可预测。但在这种混沌深处,却又暗藏着一些令人惊奇的规律。假如我们能充分理解这些规律,或许可以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”。假如你了解某个系统的全部特性(这里所说的“系统”可以是单个粒子、也可以是地球上的天气规律、甚至可以是整个宇宙的演变史),也了解物理法则,你就可以精准地预测这个系统的未来走向。这就是所谓的“决定论”。物理学家正是利用这一点,对粒子、天气和整个宇宙的未来演化过程进行预测的。
 
  但我们发现,自然界既具有决定性,又具有不可预测性。我们最早在19世纪就意识到了这一点。当时的瑞典国王曾针对“三体问题”进行悬赏,谁能解决这一问题,便可得到奖励。三体问题研究的主要是利用牛顿法则预测物体的运动轨迹。假如太阳系中有两个天体仅靠引力发生相互作用,牛顿的物理法则便能精确预测出它们的未来。但假如向这个引力系统中引入第三个天体,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。相反,他针对该问题撰写了一篇论文,详细解释了该问题不可解的原因。其中一个关键原因是,系统起始时哪怕只有一丁点微小差别,到结束时都会导致天差地别。
 
  这一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。一直到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,科学家才开始转变观念。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,因为他每次输入的数据都完全相同,而且他用的是计算机,理应很擅长做重复性工作才对。
 
  事实上,这种模拟系统的初始条件具有极高的敏感性。哪怕开始时只有一点点化整误差、连一百分之一都不到,也会导致该系统模拟出的天气全然不同。
 
  洛伦兹发现的这种现象,就是所谓的“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,如果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。但天气系统并不是这样。一次微不足道的变化(如一只蝴蝶在南美洲扇了一下翅膀)便可能使天气发生巨变(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。将一个单摆连接在另一个单摆末端,就得到了一个非常简单、却又十分混沌的系统;令庞加莱大伤脑筋的三体问题也是一个混沌系统;物种随时间的演变也是一个混沌系统……没错,混沌的确无处不在。
 
  初始条件的敏感性意味着,我们永远无法对混沌系统做出准确预测,因为我们不可能得知系统所处的确切走向。只要在这一过程中偏离了一丁点,过了一段时间,你就搞不清系统的状态了。
 
  这就是天气预报不可能百分之百精确的原因。
 
  分形的秘密
 
  在这种不可确定性和混沌背后,深藏着许多令人惊讶的特征。这些特征在“相空间”(phase space)中体现得淋漓尽致。“相空间”描述了一个系统在不同时间点上所处的状态。如果你知道一个系统在特定时间拥有哪些属性,就可以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。你可以再选取一个时间点,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越多。有了足够多的点,你就可以观察到系统在这一时期的行为变化了。
 
  有些系统会呈现出一种名叫“吸引子”的规律:无论你从哪里启动系统,它最终都会演变为自己倾向的某个特定状态。例如,无论你在山谷中的哪个位置扔下一个球,它最终都会滚落到谷底。因此谷底就是这个系统的“吸引子”。
 
  洛伦兹在研究上述简单天气系统的相空间时,也发现了一个吸引子。但这个吸引子不同于他之前见过的任何事物。他的天气系统也有一定规律可言,但同一种状态从未重复出现过。也就是说,相空间中永远不会出现相互重叠的两个点。
 
  矛盾之处
 
  这看上去明显很矛盾:系统有一个吸引子,即系统会倾向于演变成某一系列状态;但同一种状态从未出现过两次。唯一能描述这种特殊构造的只有所谓的“分形”结构。
 
  假如将洛伦兹天气系统的相空间的某一部分放大观察,就会看到它的结构与整个相空间完全相同,只不过缩小了一些;而如果从这一部分中再截取出一部分放大观察,又会看到同一个“吸引子”的缩小版……以此类推。这种无论怎么放大、看上去都与原来相同的结构就叫做“分形”。
 
  因此,该天气系统的确有一个吸引子,只是很奇特而已。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可能存在奇异吸引子。
 
  我们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。这些混沌系统在一定程度上也可能具有决定性和可预测性,只是我们目前还不甚了然。就目前来说,我们还是先努力解决天气预报的问题吧。
信息产业部备案号 陇ICP备10200311号互联网新闻信息服务许可证编号6201021|中国互联网视听节目服务自律公约 版权所有:中共白银市委网信办
西e网运营维护:西e网IDC中心技术支持:西e网技术服务中心 白银鸿途网络科技有限公司 运维电话:0943-8251555
未经本站许可不得建立镜像连接,相关权益受法律保护。
福建快3官网 上海时时乐 福建11选5开奖 河北快3开奖 山西快乐十分 极速时时彩 秒速飞艇官网 秒速飞艇开户 秒速飞艇是真的吗 秒速快三怎么玩