Sellel pildil on näidatud kaose teooria, mis loodi pika valgusega kahekordse pendli lõpus.
(Pilt: © Wikimedia Commons / Cristian V.)
Oleks väga tore teada ilmateadet mitte ainult nädal ette, vaid kuu või isegi aasta pärast. Kuid ilmateade ennustab mitmeid keerulisi probleeme, mida me ei suuda kunagi täielikult lahendada. Põhjus, miks mitte ainult keerukus - teadlased tegelevad keerukate probleemidega regulaarselt hõlpsalt - see on midagi palju fundamentaalsemat. See on midagi 20. sajandi keskel avastatud tõde: tõde, et elame kaootilises universumis, mis on paljuski täiesti ettearvamatu. Kuid sügavas kaoses peidus on üllatavad mustrid, mustrid, mis, kui me suudame neid kunagi täielikult mõista, võivad viia mõne sügavama ilmutuseni.
Kaose mõistmine
Üks ilusaid asju füüsika juures on see, et see on deterministlik. Kui teate kõiki süsteemi omadusi (kus "süsteem" võib tähendada kõike alates kasti ühest osakestest kuni ilmastikuolude ilmnemiseni Maa peal või isegi universumi enda arenguni) ja teate füüsikaseadusi, siis võite seda teha ennustada tulevikku suurepäraselt. Teate, kuidas aeg edasi arenedes süsteem riigiti areneb. See on determinism. See võimaldab füüsikutel teha prognoose osakeste, ilmastiku ja kogu universumi muutumise kohta aja jooksul.
Selgub aga, et loodus võib olla nii deterministlik kui ka ettearvamatu. Esmakordselt saime vihjeid selle kohta juba 1800. aastatel, kui Rootsi kuningas pakkus preemia kõigile, kes suutsid lahendada niinimetatud kolme keha probleem. See probleem käsitleb liikumise ennustamist vastavalt Isaac Newtoni seadustele. Kui kaks päikesesüsteemi objekti interakteeruvad ainult gravitatsiooni kaudu, siis ütlevad Newtoni seadused teile täpselt, kuidas need kaks objekti tulevikus hästi käituvad. Kuid kui lisate kolmanda keha ja lasite sellel mängida ka gravitatsioonimängu, pole lahendust ja te ei saa selle süsteemi tulevikku ennustada.
Prantsuse matemaatik Henri Poincaré (vaieldamatult supergeenius) võitis auhinna ilma probleemi tegelikult lahendamata. Selle asemel, et seda lahendada, kirjutas ta probleemist, kirjeldades kõiki põhjuseid, miks seda ei suudetud lahendada. Üks olulisemaid põhjuseid, mida ta tõi, oli see, kuidas väikesed erinevused süsteemi alguses põhjustavad lõpus suuri erinevusi.
See idee lasti suures osas puhata ja füüsikud jätkasid seda, eeldades, et universum oli deterministlik. See tähendab, et nad tegid seda kuni 20. sajandi keskpaigani, kui matemaatik Edward Lorenz uuris varajases arvutis lihtsat Maa ilmastikumudelit. Kui ta lõpetas ja taaskäivitas oma simulatsiooni, said ta metsikult teistsugused tulemused, mis ei tohiks olla asi. Ta tegi täpselt samu sisendeid ja lahendas probleemi arvutis ning arvutid on ikka ja jälle täpselt sama asja teinud.
Tema arvates oli üllatav tundlikkus algtingimuste suhtes. Üks pisike ümardamine, mitte rohkem kui 1 osa miljonist, tooks tema mudelis ilmastiku täiesti erineva käitumise.
Mida Lorenz sisuliselt avastas, oli kaos.
Komistamine pimedas
See on kaootilise süsteemi allkirja märk, mille Poincaré esmakordselt identifitseeris. Tavaliselt, kui käivitate süsteemi algtingimuste väga väikeste muudatustega, saate väljundis ainult väga väikeseid muudatusi. Kuid ilmaga see nii pole. Üks pisike muudatus (nt liblikas tiibu libistades Lõuna-Ameerikas) võib põhjustada ilmastikuolude suurt erinevust (näiteks Atlandi ookeani uue orkaani teke).
Kaootilised süsteemid on kõikjal ja domineerivad universumis. Kleepige pendel teise pendli otsa ja teil on väga lihtne, kuid väga kaootiline süsteem. Poincaré hämmingus kolme keha probleem on kaootiline süsteem. Aja jooksul on liikide populatsioon kaootiline süsteem. Kaos on igal pool.
See tundlikkus algtingimuste suhtes tähendab, et kaootiliste süsteemide korral pole võimatu kindlaid ennustusi teha, kuna süsteemi olekut ei saa kunagi täpselt ja täpselt teada lõpmatu kümnendkoha täpsusega. Ja kui olete ka kõige väiksema koha pealt väljas, pole pärast piisavalt aega aimugi, mida süsteem teeb.
Seetõttu on ilmastikku võimatu täiuslikult ennustada.
Fraktaalide saladused
Sellesse ettearvamatusesse ja kaosesse on maetud mitmeid üllatavaid jooni. Need ilmuvad enamasti faasiruumis, kaardil, mis kirjeldab süsteemi olekut erinevatel ajahetkedel. Kui teate süsteemi omadusi konkreetsel hetktõmmisel, saate kirjeldada punkti faasiruumis.
Süsteemi arenedes ja selle olekut ning atribuute muutes saate teha uue hetktõmmise ja kirjeldada uut punkti faasiruumis, moodustades aja jooksul punktide kogu. Kui teil on piisavalt selliseid punkte, näete, kuidas süsteem on aja jooksul käitunud.
Mõnel süsteemil on muster, mida nimetatakse atraktoriteks. See tähendab, et ükskõik kus süsteemi käivitate, kujuneb see lõpuks konkreetsesse olekusse, mis talle eriti meeldib. Näiteks olenemata sellest, kuhu kuulete oru kuuli, langeb see oru põhjas. See põhi on selle süsteemi ligitõmbaja.
Kui Lorenz vaatas oma lihtsa ilmamudeli faasiruumi, leidis ta atraktori. Kuid see ligitõmbaja ei näinud välja nagu midagi sellist, mida varem nähtud. Tema ilmastikusüsteemil olid regulaarsed mustrid, kuid sama olekut ei korratud kunagi kaks korda. Faasiruumi kaks punkti ei kattunud kunagi. Kunagi.
Vastuolu
Sellesse ettearvamatusesse ja kaosesse on maetud mitmeid üllatavaid jooni. Kunagi.
See tundus ilmse vastuoluna. Oli meelitaja; st süsteem eelistas olekute komplekti. Kuid sama olekut ei korratud kunagi. Ainus viis selle struktuuri kirjeldamiseks on fraktaal.
Kui vaatate Lorenzi lihtsa ilmastiku süsteemi faasiruumi ja suumite selle sisse väikese tükikese, näete pisikest versiooni täpselt samast faasiruumist. Ja kui te võtate sellest väiksema osa ja suurendate uuesti, näete täpselt sama atraktiivi väiksemat versiooni. Ja nii edasi ja nii edasi lõpmatuseni. Asjad, mis näevad välja samad, mida lähemale neid vaatate, on fraktaalid.
Seega on ilmastikusüsteemil atraktor, kuid see on kummaline. Sellepärast nimetatakse neid sõna otseses mõttes imelikeks ligimeelitajateks. Ja nad ei saa vilja mitte ainult ilmaga, vaid igasuguste kaootiliste süsteemidega.
Me ei mõista täielikult kummaliste ligitõmbajate olemust, nende olulisust ega seda, kuidas neid kaootiliste ja ettearvamatute süsteemidega töötamiseks kasutada. See on suhteliselt uus matemaatika ja loodusteaduste valdkond ning proovime ikka oma pead selle ümber mässida. Võimalik, et need kaootilised süsteemid on mingis mõttes deterministlikud ja etteaimatavad. Kuid see on veel välja mõelnud, nii et praegu peame lihtsalt leppima nädalavahetuse ilmateatega.
- Kuidas kloroformiga ajutiselt lahti keerata Universumi lõputu kaos
- Kaose märgid | Ruumi taustpilt
- Kuum kaos | Ruumi taustpilt
Paul M. Sutter on astrofüüsik juures Ohio Riiklik Ülikool, host "Küsi kosmosemehelt" ja "Kosmoseraadio, "ja" autoriSinu koht universumis."
Lisateavet saate episoodi kuulates "Kas universum on tõesti etteaimatav?" taskuhäälingusaates "Ask a Spaceman", mis on saadaval iTunesis ja veebis aadressil http://www.askaspaceman.com.
Tänu Carlos T.-le, Akanksha B.-le, @TSFoundtainworks-ile ja Joyce S.-le selle tüki juurde viinud küsimuste eest! Esitage Twitteris oma küsimus, kasutades #AskASpaceman või järgides Paul @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter.
