Chaoso teorija parodyta šiame paveikslėlyje, kuris buvo sukurtas ilgą šviesos ekspoziciją dvigubos švytuoklės gale.
(Paveikslėlis: © „Wikimedia Commons“ / Cristian V.)
Būtų labai malonu žinoti orų prognozę ne tik prieš savaitę, bet ir mėnesį ar net metus į ateitį. Oro prognozė kelia daugybę keblių problemų, kurių niekada negalėsime išspręsti visiškai. Priežastis, kodėl ne tik sudėtingumas - mokslininkai reguliariai lengvai sprendžia sudėtingas problemas - tai kažkas daug svarbesnio. Tai kažkas, kas atrasta XX amžiaus viduryje: tiesa, kad mes gyvename chaotiškoje visatoje, kuri daugeliu atžvilgių yra visiškai nenuspėjama. Tačiau giliai to chaoso viduje slepiasi stebėtini modeliai, modeliai, kurie, jei kada nors sugebėsime juos pilnai suprasti, gali sukelti gilesnius apreiškimus.
Chaoso supratimas
Vienas iš nuostabių dalykų fizikoje yra tai, kad jis yra deterministinis. Jei žinote visas sistemos savybes (kai „sistema“ gali reikšti bet ką, nuo vienos dalelės dėžutėje iki oro sąlygų Žemėje ar net pačios Visatos evoliuciją) ir žinote fizikos dėsnius, tuomet galite puikiai prognozuoja ateitį. Jūs žinote, kaip laikui bėgant sistema vystysis iš vienos valstybės į kitą. Tai yra determinizmas. Būtent tai fizikams leidžia numatyti, kaip laikui bėgant vystysis dalelės, oras ir visa Visata.
Tačiau paaiškėja, kad gamta gali būti ir determinuota, ir nenuspėjama. Pirmą kartą gavome užuominų apie šį kelią dar 1800-aisiais, kai Švedijos karalius pasiūlė prizą kiekvienam, kuris galėtų išspręsti vadinamąją trijų kūnų problemą. Ši problema susijusi su judėjimo numatymu pagal Izaoko Niutono įstatymus. Jei du Saulės sistemos objektai sąveikauja tik per gravitaciją, tada Niutono įstatymai tiksliai nurodo, kaip šie du objektai gerai elgsis ateityje. Bet jei pridėsite trečiąjį korpusą ir leisite žaisti ir gravitacinį žaidimą, sprendimo nėra ir negalėsite numatyti tos sistemos ateities.
Prancūzų matematikas Henri Poincaré (neabejotinai superžmogus) laimėjo prizą faktiškai neišsprendęs problemos. Užuot ją išsprendęs, jis parašė apie problemą, aprašydamas visas priežastis, kodėl jos nepavyko išspręsti. Viena iš svarbiausių priežasčių, kurią jis pabrėžė, buvo tai, kaip maži skirtumai sistemos pradžioje lems didelius skirtumus pabaigoje.
Ši idėja iš esmės buvo atstatyta, o fizikai tęsė prielaidą, kad Visata yra determinuota. Tai yra, jie tai darė iki XX amžiaus vidurio, kai matematikas Edwardas Lorenzas ankstyvajame kompiuteryje tyrinėjo paprastą Žemės oro modelį. Kai jis sustojo ir vėl pradėjo modeliavimą, jis baigėsi nepaprastai skirtingais rezultatais, kurie neturėtų būti dalykas. Jis dėjo tiksliai tas pačias įvestis ir spręsdavo problemą kompiuteryje, o kompiuteriai tikrai gerai daro tą patį ir vėl.
Tai, ką jis rado, buvo stebinantis jautrumas pradinėms sąlygoms. Viena maža apvalinimo klaida, ne didesnė kaip 1 dalis iš milijono, lemtų visiškai kitokį orų elgesį jo modelyje.
Tai, ką Lorenzas iš esmės atrado, buvo chaosas.
Kliūva tamsoje
Tai yra chaotiškos sistemos parašo ženklas, kurį pirmą kartą nustatė Poincaré. Paprastai, kai paleidžiate sistemą su labai mažais pradinių sąlygų pakeitimais, išvesties pokyčiai būna labai maži. Tačiau oro sąlygų atveju taip nėra. Vienas mažas pokytis (pvz., Drugelis, plečiantis sparnais Pietų Amerikoje) gali sukelti didžiulį orų skirtumą (pvz., Naujo uragano susidarymas Atlante).
Chaotiškos sistemos yra visur ir, tiesą sakant, dominuoja Visatoje. Ant kitos švytuoklės galo klijuokite švytuoklę, ir jūs turite labai paprastą, bet labai chaotišką sistemą. Poincaré suglumusi trijų kūnų problema yra chaotiška sistema. Rūšių populiacija laikui bėgant yra chaotiška sistema. Chaosas visur.
Šis jautrumas pradinėms sąlygoms reiškia, kad naudojant chaotiškas sistemas neįmanoma tvirtai prognozuoti, nes niekada negali tiksliai žinoti, tiksliai iki begalinio kablelio sistemos būsenos. O jei atsikratysi net mažiausiai, po pakankamai laiko net neįtarsi, ką sistema veikia.
Štai kodėl neįmanoma tiksliai numatyti oro.
Fraktalų paslaptys
Į šį nenuspėjamumą ir chaosą palaidota daugybė nuostabių bruožų. Jie dažniausiai rodomi vadinamoje fazių erdvėje, žemėlapyje, apibūdinančiame sistemos būklę įvairiais laiko momentais. Jei žinote sistemos ypatybes konkrečiame „momentiniame vaizde“, galite apibūdinti tašką fazės erdvėje.
Sistemai tobulėjant ir keičiant jos būseną bei savybes, galite padaryti dar vieną momentinį vaizdą ir aprašyti naują fazės erdvės tašką, laikui bėgant sukaupdami taškų kolekciją. Turėdami pakankamai tokių taškų, galite pamatyti, kaip laikui bėgant sistema elgėsi.
Kai kuriose sistemose yra modelis, vadinamas atraktoriais. Tai reiškia, kad nesvarbu, kur paleidžiate sistemą, ji galų gale virsta tam tikra būsena, kurią ji ypač mėgsta. Pvz., Nesvarbu, kur numesite rutulį slėnyje, jis pateks į slėnio apačią. Tas dugnas yra šios sistemos patrauklumas.
Kai Lorenzas pažvelgė į savo paprasto oro modelio fazinę erdvę, jis rado patrauklį. Bet tas patraukėjas neatrodė kaip niekad anksčiau matytas. Jo oro sistema turėjo įprastus modelius, tačiau ta pati būsena niekada nebuvo kartojama du kartus. Nė vienas du fazės erdvės taškai niekada nebuvo sutapę. Visada.
Prieštaravimas
Į šį nenuspėjamumą ir chaosą palaidota daugybė nuostabių bruožų. Visada.
Tai atrodė kaip akivaizdus prieštaravimas. Buvo atraktorius; y., sistema pasirinko būsenų rinkinį. Bet ta pati būsena niekada nebuvo kartojama. Vienintelis būdas apibūdinti šią struktūrą yra fraktalas.
Jei pažvelgsite į Lorenco paprastos oro sistemos fazių erdvę ir priartinsite nedidelį jos gabalą, pamatysite mažytę tos pačios fazės erdvės versiją. Ir jei jūs paimsite mažesnę dalį to ir vėl priartinsite, pamatysite plonesnę to paties atrakciono versiją. Ir taip toliau ir taip iki begalybės. Daiktai, kurie atrodo panašiai, atidžiau į juos žiūrint, yra fraktalai.
Taigi oro sistema turi patrauklį, tačiau keista. Štai kodėl jie tiesiogine prasme vadinami keistais atrakcionais. Ir jie auga ne tik oro sąlygomis, bet ir visose chaotiškose sistemose.
Mes iki galo nesuprantame keistų patrauklių prigimčių, jų svarbos ar kaip juos panaudoti dirbant su chaotiškomis ir nenuspėjamomis sistemomis. Tai palyginti nauja matematikos ir gamtos mokslų sritis, ir mes vis dar bandome apvynioti galvą. Gali būti, kad šios chaotiškos sistemos tam tikra prasme yra determinuotos ir nuspėjamos. Bet tai dar nėra išsiaiškinta, todėl kol kas mums tereikia susitaikyti su savaitgalio orų prognoze.
- Kaip laikinai panaikinti begalinį Visatos chaosą naudojant chloroformą
- Chaoso požymiai | Erdvės tapetai
- Karštas chaosas | Erdvės tapetai
Paulius M. Sutteris yra astrofizikas Ohajo valstijos universitetas, „Paklauskite erdvėlaivio" ir "Kosminis radijas, „ir“Jūsų vieta Visatoje."
Sužinokite daugiau klausydamiesi epizodo "Ar Visata tikrai nuspėjama?" podcast'e „Ask a Spaceman“, kurį galima rasti „iTunes“ ir internete http://www.askaspaceman.com.
Ačiū Carlos T., Akanksha B., @TSFoundtainworks ir Joyce S. už klausimus, kurie paskatino šį kūrinį! Užduokite savo klausimą „Twitter“ naudodami #AskASpaceman arba sekdami Paulą @PaulMattSutter ir facebook.com/PaulMattSutter.
