生活中的混沌现象

1、仅供个人参考生活中的混沌现象最近全国许多地方不是闹旱灾就是发大水，貌似老天爷有点变化无常了。不过话说回 来，这位老天爷好像爱你个从来都是变化无常的。记得小学时候学过一篇课文叫 看云识天气学完后将信将疑的，回去试了一下，发现根据那些云来预测天气好多都不准。从此心 中就有一个结一一我们到底能不能知道明天到底是什么天气呢？在气象学出现之前人们只能根据经验来预测天气，但这种经验性的方法误差很大，往 往不能精确预报。我想那时候的人们一定会像，要是能精确预报天气该多好啊！那时的人们大多靠天吃饭，而且天气与人们的声场生活密切相关。幸运的是现在我们有了计算机，有了卫星云图，精确预报明天甚至后天的天气情况是-没

2、多大问题的。更进一步，气象学家已经建立了大气环流模型。模型的思想是用网格划分全球，确定每个格点上某些气象数据（气压、温度、密度等）的值，然后在计算机上模拟这些 数据的时间演化。初始数据（即某个时刻气象参数的值） 由卫星、探空和地面观测搜集获得。 然后计算机用这些数据、已知的山脉位置及其他许多资料，算出之后某个时刻的气象数值， 当然这些预测面临着现实的检验。这么说只要知道初始值， 我们就应该能够预测将来任意时刻的天气了，这是多么激动人心啊！ 但是结果让所有人失望了， 大约一周后计算机模拟的与 实际的天气情况的误差已经大得不可接受了。问题到底出在哪呢？难道是计算机出错了？当然计算机是很忠诚的，它并

3、没有出错。究其原因，是因为任何测量都会有误差，无论过去、 现在、还是未来，误差都将于我们同在，只要有测量，就一定有误差，无论将来的测量技术 有多发达，这都是一个真理，因为任何测量都是有一定精度的。明白了这个事实，那么我们对于初始值的测量就变得不是那么准确了，虽然可能只有十分微小的误差。或许有人会不服：“不就是一点微小的误差嘛！至于造成这么大的影响吗？” 为了证明初始值的微笑误差会造成气象上的巨大变化，我们只需将初始值做十分微小的变动然后再输入计算机进行模拟就可 以了。模拟结果不出所料，这么点小小的误差（就像一股小小的风）却造成了巨大的气象灾难。发现这种现象的美国科学家爱德华洛伦茨形象地称之为“

4、蝴蝶效应”。洛伦茨发现了 “蝴蝶效应”之后并没有停留在这表面的现象上，若停留在可预料性被 单纯的随机性战胜这一图像上，那他不过是带来了一条非常坏的消息而已。洛伦茨看到的不仅仅是随机性潜伏在他的气象模型中，他还看到一种精致的几何结构，这是一种伪装成随机性的规律性，这就是混沌！“天气是不可长期准确预料”这一事实对于经典的决定论是绝对不能容忍的。按照牛 顿力学，如果知道了一个系统初始时刻的状态我们就能知道它在其他任何时刻的状态。天体运动是牛顿力学的第一块试金石，根据牛顿力学预言的众多天文现象如海王星的位置一再证 明它的可靠性。它给出的是一副完全确定的世界图景：如果我们知道宇宙在某个（任意选择的）初始

5、时刻的状态，我们就应该能够确定它在其他任意时刻的状态。在这点上，我认为爱因斯坦和牛顿是一致的，爱因斯坦也坚持认为：上帝从来不掷骰子。这就是经典的决定论， 对此拉普拉斯曾给出过一段优美而著名的描述：一种智慧，如果他能够知道，使得自然界生机勃勃的所有力，以及构成自然的所有元 素各自的状态，在某个给定瞬间时的全部情况，进而，如果它猪狗庞大以至于可以分析所有这些数据，那么它将可以用同一个公式囊括宇宙中最庞大的物体和最微小原子的运动：对它来说，没有什么事情是不确定的， 无论将来还是过去都将呈现在它眼中。 已经能够早就完美 天文学的人类的头脑，朦胧地显现了这种智慧的样子。那么到底孰是孰非呢？此刻我们见证着

6、随机性与确定性的搏斗。著名的法国数学家庞 加莱给出了他的观点，这是一段相当精辟的描述：被我们忽略了的非常微小的原因决定着我 们不可忽略的的可观的结果，而时候我们说这个结果归因于随机性。这么看来随机性确实只是我们所看到的伪装起来的表面现象，随机性背后肯定还隐藏着更为本质的东西，或 许那就是自然界的本质， 那会是什么呢？是的， 就是它， 我们已经提到过的混沌伪装成 随机性的规律性。那么什么样的系统才会出现混沌现象呢？现在我们知道了混沌其实是非线性系统在一 定条件下的一种状态， 而事实上几乎自然界存在的所有系统都是非线性的， 在一定条件下都 能产生混沌现象。自 20 世纪 70 年代末以来，在世界学

7、术界迅速掀起了研究混沌的热潮，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，下面简单介绍一下混沌的应用。 首先在天体运动方面，混沌理论可以解释火星与木星之间的小行星的分布。假如仅仅 根据牛顿力学， 这些小行星绕太阳运行应有稳定的轨道。 但是事实并非如此， 由于它们离木 星较近， 而木星又是太阳系最大的型星， 木星对小行星运动的长期引力影响就可能引起小行 星进入混沌运动。 其后果是小行星偏离原来的轨道， 有些甚至成为流星， 并不断地散落到地 球上来。目前最流行的解释恐龙灭绝的假说就是 6500 万年前一颗大的小行星在混沌运

8、动中 脱离小行星带撞击地球导致了恐龙灭绝。其次，人体的免疫反应也可以说有反馈的混沌。混沌由于其多样性，它就可以提供充 分的选择机会。 某种病菌入侵体内后， 人体的生产器官就开始制造各种各样的分子， 并把它 们输送到病菌入侵出。 当发现某种型号的分子能完全包围入侵者时， 就先生产器官发出反馈 信息。不得用于商业用途仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu

9、 kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tude et la recherche uniquementa des fins personnelles; pasa des fins commerciales.to员bko gA.nrogeHKO TOpMenob3ygoiccH6yHeHuac egoB u HHuefigoHMucno 员 B30BaTbCEb KOMMepqeckuxqe 员 ex.For personal use only in study and research; not for commercial use以下无正文仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' e tude et la recherche uniquementa de