Haosa teorija ir parādīta šajā attēlā, kas tika izveidots ar ilgstošu gaismas iedarbību dubultā svārsta galā.
(Attēls: © Wikimedia Commons / Cristian V.)
Būtu ļoti jauki uzzināt laika prognozi ne tikai nedēļu iepriekš, bet arī mēnesi vai pat gadu nākotnē. Bet laika apstākļu prognozēšana rada vairākas sarežģītas problēmas, kuras mēs nekad nespēsim pilnībā atrisināt. Iemesls, kāpēc ne tikai sarežģītība - zinātnieki regulāri viegli risina sarežģītas problēmas - tas ir kaut kas daudz fundamentālāks. Tas ir kaut kas 20. gadsimta vidū atklāts: patiesība, ka mēs dzīvojam haotiskajā Visumā, kas daudzējādā ziņā ir pilnīgi neparedzams. Bet dziļi šajā haosā paslēptie ir pārsteidzošie paraugi, modeļi, kas, ja mēs kādreiz spēsim tos pilnībā izprast, varētu novest pie dažām dziļākām atklāsmēm.
Izpratne par haosu
Viena no skaistākajām fizikas lietām ir tā, ka tā ir deterministiska. Ja jūs zināt visas sistēmas īpašības (kur "sistēma" var nozīmēt jebko, sākot no vienas daļiņas lodziņā līdz laikapstākļiem uz Zemes vai pat paša Visuma attīstību), un jūs zināt fizikas likumus, tad varat lieliski prognozē nākotni. Jūs zināt, kā sistēma attīstīsies no vienas valsts uz otru, virzoties uz priekšu. Tas ir determinisms. Tas ļauj fiziķiem prognozēt, kā laika gaitā attīstīsies daļiņas, laika apstākļi un viss Visums.
Tomēr izrādās, ka daba var būt gan determinēta, gan neparedzama. Mēs pirmo reizi saņēmām mājienus par šo ceļu jau 1800. gados, kad Zviedrijas karalis piedāvāja balvu ikvienam, kurš varēja atrisināt tā saucamo trīs ķermeņa problēmu. Šī problēma attiecas uz kustības prognozēšanu saskaņā ar Īzaka Ņūtona likumiem. Ja divi objekti Saules sistēmā mijiedarbojas tikai caur gravitācijas spēku, tad Ņūtona likumi precīzi norāda, kā šie divi objekti labi izturēsies nākotnē. Bet, ja jūs pievienojat trešo korpusu un ļaujat tam spēlēt arī gravitācijas spēli, tad risinājuma nav un jūs nevarēsit paredzēt šīs sistēmas nākotni.
Franču matemātiķis Henri Poincaré (iespējams, superģēnijs) uzvarēja balvu, faktiski neatrisinot problēmu. Tā vietā, lai to atrisinātu, viņš rakstīja par problēmu, aprakstot visus iemeslus, kāpēc to nevarēja atrisināt. Viens no vissvarīgākajiem iemesliem, ko viņš uzsvēra, bija tas, kā nelielas atšķirības sistēmas sākumā radīs lielas atšķirības beigās.
Šī ideja lielā mērā tika atlikta, un fiziķi turpināja darbu, pieņemot, ka Visums ir determinēts. Tas ir, viņi to darīja līdz 20. gadsimta vidum, kad matemātiķis Edvards Lorenss agrīnā datorā pētīja vienkāršu Zemes laika apstākļu modeli. Kad viņš apstājās un atsāka simulāciju, viņš guva mežonīgi atšķirīgus rezultātus, kam nevajadzētu būt par lietu. Viņš ieviesa tieši tādas pašas ievades, kā arī risināja problēmu datorā, un datori patiešām ir lieliski, lai atkal un atkal veiktu tieši to pašu.
Tas, ko viņš atrada, bija pārsteidzoši jutīgs pret sākotnējiem apstākļiem. Viena niecīga noapaļošanas kļūda, ne vairāk kā 1 miljona daļa, viņa modelī izraisītu pilnīgi atšķirīgu laika apstākļu izturēšanos.
Tas, ko Lorenss būtībā atklāja, bija haoss.
Paklupt tumsā
Šī ir haotiskās sistēmas paraksta zīme, ko vispirms identificēja Poincaré. Parasti, palaižot sistēmu ar ļoti nelielām izmaiņām sākotnējos apstākļos, tiek iegūtas tikai ļoti nelielas izlaides izmaiņas. Bet laika apstākļos tas tā nav. Viena niecīga maiņa (piemēram, tauriņš plivina spārnus Dienvidamerikā) var izraisīt milzīgas laika apstākļu atšķirības (piemēram, jaunas viesuļvētras veidošanos Atlantijas okeānā).
Haotiskās sistēmas ir visur un faktiski dominē Visumā. Pielieciet svārstu cita svārsta galā, un jums ir ļoti vienkārša, bet ļoti haotiska sistēma. Trīs ķermeņa problēma, kuru neizprot Poincaré, ir haotiska sistēma. Sugu populācija laika gaitā ir haotiska sistēma. Haoss ir visur.
Šī jutība pret sākotnējiem apstākļiem nozīmē, ka ar haotiskām sistēmām nav iespējams izdarīt precīzas prognozes, jo nekad nevar precīzi un precīzi zināt sistēmas stāvokli līdz bezgalīgajam komatam. Un, ja jūs aizkavējaties līdz pat vissīkākajam darbam, pēc pietiekami daudz laika jums nebūs ne jausmas, ko sistēma dara.
Tāpēc nav iespējams precīzi prognozēt laika apstākļus.
Fraktāļu noslēpumi
Šajā neparedzamībā un haosā ir aprakti vairāki pārsteidzoši elementi. Tie galvenokārt parādās fāzes telpā, kartē, kas apraksta sistēmas stāvokli dažādos laika punktos. Ja jūs zināt sistēmas īpašības noteiktā "momentuzņēmumā", varat aprakstīt punktu fāzes telpā.
Sistēmai attīstoties un mainot tās stāvokli un īpašības, jūs varat uzņemt vēl vienu momentuzņēmumu un aprakstīt jaunu punktu fāzes telpā, laika gaitā izveidojot punktu kolekciju. Ja ir pietiekami daudz šādu punktu, jūs varat redzēt, kā sistēma ir izturējusies laika gaitā.
Dažās sistēmās ir parādīts modelis, ko sauc par atraktoriem. Tas nozīmē, ka neatkarīgi no tā, kur jūs startējat sistēmu, tā galu galā attīstās īpašā stāvoklī, kas tai īpaši patīk. Piemēram, neatkarīgi no tā, kur iemetīsit bumbu ielejā, tā nonāks ielejas apakšā. Šis dibens ir šīs sistēmas pievilcējs.
Kad Lorencs apskatīja sava vienkāršā laikapstākļu modeļa fāzes telpu, viņš atrada atraktoru. Bet šis pievilcīgais neizskatījās pēc kaut kā iepriekš redzēta. Viņa laikapstākļu sistēmai bija regulāri modeļi, taču tas pats stāvoklis nekad netika atkārtots divreiz. Nekādi divi punkti fāzes telpā nekad nav pārklājušies. Kādreiz.
Pretruna
Šajā neparedzamībā un haosā ir aprakti vairāki pārsteidzoši elementi. Kādreiz.
Tā šķita acīmredzama pretruna. Bija atraktors; t.i., sistēma bija devusi priekšroku stāvokļu kopai. Bet tas pats stāvoklis nekad neatkārtojās. Vienīgais veids, kā aprakstīt šo struktūru, ir kā fraktālis.
Apskatot Lorenca vienkāršās laika apstākļu sistēmas fāžu telpu un pietuvinot nelielu tās daļu, jūs redzēsit niecīgu tieši tādas pašas fāzes telpas versiju. Un, ja jūs uzņemsit mazāku tā daļu un pietuvinaties vēlreiz, jūs redzēsit precīzāku tā paša pievilcēja versiju. Un tā tālāk un tā līdz bezgalībai. Lietas, kas izskatās vienādi, jo tuvāk tām skatāties, ir fraktāļi.
Tātad laika apstākļu sistēmai ir atraktors, bet tas ir dīvaini. Tāpēc viņus burtiski sauc par dīvainiem pievilinātājiem. Un tie ražas ne tikai laika apstākļos, bet visās haotiskās sistēmās.
Mēs pilnībā neizprotam dīvaino pievilcēju būtību, to nozīmi vai to, kā tos izmantot darbam ar haotiskām un neparedzamām sistēmām. Šī ir salīdzinoši jauna matemātikas un zinātnes nozare, un mēs joprojām cenšamies apvilkt galvas. Iespējams, ka šīs haotiskās sistēmas savā ziņā ir determinētas un paredzamas. Bet tas vēl ir jāizdomā, tāpēc pagaidām mums vienkārši būs jāsamierinās ar nedēļas nogales laika prognozi.
- Kā īslaicīgi atsaukt Visuma bezgalīgo haosu ar hloroformu
- Haosa pazīmes | Kosmosa tapetes
- Karstais haoss | Kosmosa tapetes
Pols M. Sutters ir astrofiziķis plkst Ohaio štata universitāte, “Jautājiet kosmosa darbiniekam" un "Kosmosa radio, "un" autorsTava vieta Visumā."
Uzziniet vairāk, noklausoties epizodi "Vai Visums ir patiešām paredzams?" Podcast apraidē “Ask a Spaceman”, kas pieejama iTunes un tīmeklī vietnē http://www.askaspaceman.com.
Paldies Carlos T., Akanksha B., @TSFoundtainworks un Joyce S. par jautājumiem, kas noveda pie šī skaņdarba! Uzdodiet savu jautājumu čivināt, izmantojot #AskASpaceman vai sekojot Polam @PaulMattSutter un facebook.com/PaulMattSutter.
