世界无处不混沌 全球气候会为何在短时间内发生巨变?

2018-03-04 15:30 我要评论 来源: 武汉科技馆
调整字体

  长江网讯(通讯员 黄静)数学展厅是武汉科技馆最受欢迎的展厅之一,展厅内缤纷的色彩和精彩的展品引来观众纷纷驻足观看参与,在数学展厅中间有一个叫做《混沌水车》的展品,最为引人注目。该展品没有任何内在动力,全凭不确定的一两滴水,就能让水车无序转动,它为大家诠释了一个什么科学原理呢?混沌。千万别小看这个混沌理论,它与相对论、量子力学一起被称为20世纪最伟大的发现。小小展品蕴含着大道理!它是何方神圣?且听我慢慢道来。

  混沌理论终结了确定性的辉煌

  经典物理学发源自15世纪,其研究对象是尺寸大于原子和分子的系统的特性,到了17世纪初,在第谷和开普勒的努力下,向人们揭示了天体运动的某些规律,牛顿则将对自然的探索推上了新的台阶,牛顿力学与万有引力理论说明,世界万物都遵循着同一套理论规则。有了牛顿力学,再加上他和莱布尼兹发现的微积分,人类似乎拥有了梦寐以求的预言未来的能力。科学家们提出了钟表机械宇宙的观点,宇宙好比一种钟表装置,自诞生那刻起,就开始工作,并一直遵循着某种规律,嘀嗒走动。

  科学家们发现,只要用数学规则描述的东西,事实上都简单。只要找到某种描述某个系统的数学方程,就可以以此预测该系统的走向,很快他们就发明了许多类似的方程式。

  然而混沌系统的发现,将人们带入了前所未有的窘境,很多基于现实问题的预测也变得无比困难。混沌的第一个例子来自牛顿的非常规规律。当两颗星相互绕轨道运行时,我们可以预测他们的位置几千年,但引入第三个星球时,他们开始摆动不稳定并产生了混乱。

  三颗星球互相吸引缠绕的复杂轨迹

  在20世纪60年代,气象学家爱德华·洛伦兹正在研究大气的计算机模型。他试图找到可以预测天气的数学方程式,与那个时代的所有人一样,他相信,气象系统原理上与星象仪无异,都是可以用数学描述和预测的机械系统。

  天气系统如此复杂,用数百万个变量来描述都不为过,洛伦兹把它压缩成三个变量,然而就是这三个变量的模型却发生了混沌效应。事情是这样的:为了检查计算机故障,他将记录每次计算中途的数据,然后从那里重新启动计算机模型。有一次,他惊讶地发现,重新启动后,结果显著不同。他输入了0.506,而不是机器存储的数字0.506127。这个微小的差异由于经过计算机大量的计算,放大到巨大的差异。计算结果与实际大相径庭,他没有得到想要的结果。事实证明想通过一个数学方程,预测整个系统的变化,这个想法没有出路。

  根据进一步的研究,他发现在三个变量取值的大部分可能性下,系统演变的轨迹都会渐渐趋近于同一个产生混沌的区域,就像磁铁吸引着图钉,混沌的行为成为了必然。这就是人们发现的第一个混沌吸引子:洛伦茨吸引子。它的形状,就像一只蝴蝶。这大概也是洛伦茨将这种混沌的现象称为“蝴蝶效应”的原因。

  对初始值的极端敏感性,成为混沌现象的重要特征之一。后来这种奇异的现象被演绎成一个略带夸张的描述:“一只南美洲蝴蝶的扑翼,在蝴蝶效应的放大下,也许可以引起得克萨斯州的一场飓风。”

  天气是混沌的,造成了天气不可能准确预测,微小的扰动在长远看来是不可忽略的,而我们又无力去追踪无数的扰动。虽然短期的预测结果能符合现实,但长期的预测却无能为力,天气预测的准确性会随着时间延长而急剧衰减。

  洛伦兹的发现迫使科学界必须重视混沌理论,尽管这一理论可称为科学史上最不受欢迎的理论之一。虽然随着电脑计算能力的提升,我们会解出更加复杂的方程式,但混沌理论认为这种想法不一定对,因为哪怕你想到的最简单的方程式不含任何随机因子,一切可知,只要运行过程出现一点点偏差,结果也会和最初的设想大相径庭。

  历经数个世纪的科学确定性,在短短几年时间内就被瓦解了。科学家们在研究混沌理论的过程中发现,在自然界中有序和混沌其实是深深的联系在一起的。大自然既有规律又无规律,混沌现象将有序和无序统一在一起。

  世界无处不混沌

  蝴蝶效应这个混沌系统的典型,在生活中比比皆是,全球气候会在短时间内巨幅变动,股票市场可以毫无预警的崩溃,我们人类可能一夜之间在地球上灭绝,我们对此无能为力。

  什么样的系统会出现混沌现象?混沌其实是非线性系统在一定条件的一种状态,而事实上几乎自然界的所有系统都是非线性系统,在一定条件下都是会产生混沌现象。

  混沌本身是确定性中随机无规状态,它并不是无迹可寻、乱成一团,而是无周期的有序性,混沌是伪装成随机的规律性。

  混沌现象的出现使我们无法对系统的长期行为进行预测,但我们完全可以利用混沌的规律对系统进行短期的行为预测,这比传统的统计学方法有效。

  自20世纪70年代以来,在世界学术界迅速掀起研究混沌的热潮。从数学到物理学、乃至天文学、化学、医学、生物学等等其他自然科学领域。

  混沌理论在20世纪90年代开始走向应用阶段。它通常用于天气、股票市场等在一定时段难以预测的比较复杂的系统中,在语言研究方向也有着广泛的应用。

  近几年来,随着混沌理论研究的发展,混沌与工程技术联系越来越紧密,在生物医药工程、动力学工程、化学反应工程、电子信息工程、计算机工程、应用数学和实验物理等领域都有应用前景。

  数学展厅的展品《混沌水车》有12个圆锥形的容器挂吊在一个圆周上,圆锥形容器的运动全凭上面水管流出的水流的动力运行,它们时而顺时针旋转,时而逆时针旋转,由于水车对微小的干扰非常敏感,所以我们无法预测水车在受干扰后的运动状态,这个水车就是一个混沌系统。该展品用一个简单的装置就为我们揭示了混沌现象。

责编:江婧

扫二维码上移动长江网
分享到: 0

相关阅读

文化社会

财经健康

旅游青春