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发表于 2007-5-12 19:59:00
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对于任何动力学系统,都可以设想同一种类型的几何图象。有 相空间,其坐标是所有变量的值;有相图,即一族表示从所有可能 的初始条件出发的所有可能行为的盘旋曲线,这些曲线为微分方 程所刻划。这一思想是一大进展,因为我们无需关心微分方程解的 精确数值,而可以把注意力集中于相图的宽广范围,使人发挥其最 大优势(即惊人的图象处理能力)。作为把全部潜在行为编织起来 的一种方式(自然界从中选择实际观察到的行为)的相空间图,在 科学中已被广为应用。
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庞加莱这一大创新所带来的结果,是动力学可借助被称为吸 引子(attractor)的几何形状来加以直观化。假如你使一动力学系 统从某个初始点出发,观察它长期运作的情况,你往往会发现,它 最终围绕相空间中某个明确的形状游荡。例如,曲线可以向一个闭 合环旋进,然后绕环永远兜圈子。而且,初始条件的不同选择会导 致相同的终末形状。倘若如此,那形状就叫做吸引子。系统长期的 动力学特性受其吸引子支配,吸引子的形状决定产生何种类型的 动力学特性。
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9 z3 `+ n, V" e/ A k2 Q @, _/ K 例如,趋向于定态的系统,它具有的吸引子是一个点。趋向于 周期性地重复同样行为的系统,它具有的吸引子是一个闭环。也就 是说,闭环吸引子相当于振荡器。请回忆一下第五章有关振动的小 提琴弦的描述:小提琴弦经历一系列最终使它回归到出发点的运 动,并将一遍又一遍重复那个系列。我的意思不是小提琴弦以物理 环运动,但我对它的描述是隐喻意义上的闭环:运动经过相空间的 动态地形而环游。 , @$ S6 `9 k3 x! K& a4 w
9 o r, N# U/ j( r 混沌有其自身颇为古怪的几何学意义,它与被称为奇异吸引 子的离奇分形形状相联系。蝴蝶效应表明,奇异吸引子上的详细运 动不可预先确定,但这并末改变它是吸引子这个事实。设想一下如 果把一个 古 球抛进波 汹涌的大海,无论你从空中向下丢球,还 是从水下让球向上浮,球都会向海面运动。一旦到了海面之后,它 就在起伏的波浪中经历一个很复杂的运动路径,但不管这路径多 么复杂,球仍然留在海面上或至少很接近海面。在这一图景里,海 面是吸引子。因此,尽管有混沌,不论出发点可能是什么,系统最终 将很接近它的吸引子。 * e s4 K% j7 @- `
混沌作为一种数学现象已得到充分证实,但在现实世界里我 们如何检测它呢? 我们必须完成一些实验,但这存在一个问题。实 验在科学中的传统作用是检验理论预言,但要是蝴蝶效应在起作 用—正像它对任何混沌系统所做的那样——我们怎么能期望去 检验一个预言? 莫非混沌天生不可检验,从而是不科学的? 回答是,“不”! 因为“预言”这个词有两个含义。一是指“预卜 未来”。当混沌出现时,蝴蝶效应阻碍预卜未来。但另一个含义是 “预先描述实验结果将是什么”。让我们来考虑一下如果掷100次 硬币的例子。为了预言— 在算命先生的意义上预卜— 会发生 什么情况,你必须预先列出每一次抛掷的结果。但你可以作出科学 的预言,如“大约一半硬币将正面朝上”,而不必具体地预卜未来 ——甚至预言时,这系统仍然是随机的。没有人会因为统计学处理 不可预言的事件而认为它不科学,因此亦座以同样态度来对待混沌。 你可以作出各种各样的关于混沌系统的预言。事实上,你可以 作出充足的预言把确定性混沌与真正的随机性区分开。你能常常 预言的一件事是吸引子的形状,它不受蝴蝶效应的影响。蝴蝶效应 所做的一切,是使系统遵从同一吸引子上的不同轨线。总之,吸引 子的一般形状往往可从实验观测中得到。
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7 u n& g8 M, V7 r; Y& S 混吨的发现揭示了我们对规律与由此产生的行为之间——即 原因与结果之间——关系的一个基本性的错误认识。我们过去认 为,确定性的原因必定产生规则的结果,但现在我们知道了,它们 可以产生易被误解为随机性的极不规则的结果。我们过去认为,简 单的原因必定产生简单的结果(这意昧着复杂的结果必然有复杂 的原因),但现在我们知道了,简单的原因可以产生复杂的结果。我 们认识到,知道这些规律不等于能够预言未来的行为。 ( ?* _$ ~1 T1 m; T6 L& D, V; @
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原因和结果之间的这种脱节是怎么出现的? 为什么相同的一 些规律有时候产生明显的模式,有时候却产生混油? 答案可以在家 家户户的厨房里,就在打蛋器那样简单的机械装置中找到。两条打 蛋臂的运动简单又可预言:每条打蛋臂都平稳地旋转。然而,装置 里的糖和蛋白的运动则复杂得多。糖和蛋白在打蛋臂的作用下得 到混合,那正是打蛋器要达到的目的,但那两条旋转的打蛋臂并未 绞在一起。当你打完蛋后,不必把打蛋臂解开。为什么调合蛋白的 运动如此不同于打蛋臂的运动? 混合是一个远比我们想象的复杂 得多的动态过程。设想一下,试图预言一颗特定的糖粒最终将在何 处是何等艰难! 当混合物在那对打蛋臂之间通过时,它被向左右两 边扯开。两颗起初紧靠在一起的糖粒不久分得很开,各走各的道。 事实上,这正是蝴蝶效应在起作用。初始条件中的微小变化有 着巨大的影响。因此,混合是一个混沌过程。
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反之,每一个混沌过程都包含一种在庞加莱虚拟相空间中的 数学混合。这就是潮汐可预言、而天气不可预言的原因。两者包含 同一种类型的数学,但潮汐的动力学不在相空间混合,而天气的动 力学则在相空间混合。
, x7 _' P, Z2 y 科学在传统上看重秩序,但我们正开始认识到混沌能给科学 带来独特的好处。混沌更容易对外部刺激作出快速反应。设想一 下等待接发球的网球运动员。他们站着不动吗? 他们有规则地从 一边移向另一边吗? 当然不。他们双脚零乱地蹦跳。部分原因在 于扰乱其对手;但同时也准备对任何发过来的球作出反应。为了能 够向任何特定方向快速运动,他们在许多不同方向上作出快速运 动。混沌系统与非混沌系统相比较,前者轻而易举地就能非常快地 对外部事件作出反应。这对工程控制问题来说很重要。例如,我们 现在知道某类湍流由混沌造成— 混沌正是使湍流混乱不堪的元 凶。我们也许可以证明,通过建立对破坏任何小区域的原发湍流作 出极快反应的控制机制,使擦过飞机表面的气流不致太湍乱,从而 减小运动阻力,这种情况是可能的。活的生物为了对变化的环境作 出快速反应,也必须呈现混沌行为。
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" f0 o; W/ O W+ r2 o' w, I( U 这一思想已被一群数学家和物理学家,其中包括威廉·迪托 (William Ditto)、艾伦·加芬科(Alan Garfinkel)和吉姆·约克 (Jim Yorke),变成了一项非常有用的实用技术,他们称之为混沌 控制。实质上,这一思想就是使蝴蝶效应为你所用。初始条件的小 变化产生随后行为的大变化,这可以是一个优点;你必须做的一 切,是确保得到你想要的大变化。对混沌动力学如何运作的认识, 使我们有可能设计出能完全实现这一要求的控制方案。这个方法 已取得若干成功。混沌控制的最早成就之一,是仅用卫星上遗留的 极少量肼使一颗“死”卫星改变轨道,而与一颗小行星相碰撞。美国 国家航空与航天管理局操纵这颗卫星围绕月球旋转5圈,每一圈 用射出的少许肼将卫星轻推一下,最后实现碰撞。 6 x% w) b7 Q x. f
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这一数学思想已被用来控制湍乱流体中的一条磁性条带—— 控制流经潜水艇或飞机的湍流的一个原型;控制使胡乱跳动的心 脏恢复有规则的节律,这预示着智能起搏器的发明;用来建立和防 止脑组织中电活动的节律波,这又开辟了预防癫痫发作的新途径。 混沌已是一个迅速发展的行业。每一个星期都有有关混沌的 数学基础的新发现、混沌对我们认识自然界的新应用,或有关应用 混吨产生的新技术的报导,包括混沌洗碟机(日本人发明用两条混沌 旋转的转臂使碟子洁净的节能机器)和英国人发明的用混沌理 论进行数据分析从而改进矿泉水生产中的质量管理的机器。 然而,还有更多的东西有待研究。或许混沌最终悬而末决的问 题是奇异的量子世界,幸运女神主宰那里的一切。放射性原子“随 机地”衰变,它们唯一的规律是统计规律。大量放射性原子虽有明 确的“半衰期” 一段半数原子将衰变的时间,但我们不能预言 哪一半原子即将衰变。前面提到的爱因斯坦的断言,就是针对这一 问题的。在将不衰变的放射性原子与将要衰变的放射性原子之间, 确实根本不存在任何差别吗? 原子怎么知道该干什么? 量子力学的表观随机性可能骗人吗? 它确实是确定性混沌吗? * P" |( V. N; V z0 I
: ]6 c0 }# u* x! F. K9 A 设想原于是宇宙流体的某种振动液滴。放射性原子很有力地振动, 并且较小的液滴时常会分裂——衰变。这振动快得我们无法对它 们进行细致测量,我们只能测量平均量(如能级)。现在,经典力学 告诉我们,一滴真实流体会混油地振动。当它振动时,其运动是确 定性的,但不可预言。许多振动不约而同“随意地”分裂微小的液 滴。蝴蝶效应使得不可能预言何时液滴将分裂,但这事件具有精确 的统计特征,包括明确的“半衰期”。
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. T" ~' B7 u7 E7 h! |' O% A) @ 放射性原子表观随机衰变可能是某种在微观尺度上的类似 物? 为什么终归存在统计规律? 统计规律是内在确定性的外显,抑 或会来自别的什么地方? 遗憾的是,尚没有人使这诱人的思想产生 结果——尽管它在精神上类似于时髦的超弦理论,在超弦理论中, 亚原于粒子是一种人为的振动着的多维环。在这里主要的类似特 征是,振动环与振动液滴都将新的“内部变量”引入其物理学图景 中,而显著的区别在于它们处理量子不确定性的方式。超弦理论同 传统量子力学一样,把这种不确定性视为真正的随机。然而,在一 个像液滴这样的系统里,表观不确定性实际上是由确定性的(但是 混沌的)原动力所产生。诀窍——如果只有我们知道如何来操作的 话— 也许在于:发明某种维持超弦理论成功特征的结构,同时造 就几个行为混沌的内部变量。它可能是使上帝的骰子变得确定,并 使爱因斯坦在天之灵欣慰的一条动人途径。
8 b) O) o2 h, Q. ~4 m; u3 T) f 重要的不在于你做什么,而在于你如何来做。 |
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