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我第一次接触混沌理论是通过《侏罗纪公园》中的马尔科姆教授这个角色 。 作者将混沌理论描述为一种潜在的数学结构 。
混沌理论是 \"蝴蝶效应 \"的原因 。 一只蝴蝶在中国拍打翅膀 , 而纽约市却因此下雨了 , 因为扇动翅膀会引起能量由小到大的级联 。 不过 , 你不需要在中国观察蝴蝶 , 并将其与纽约的天气统计联系起来 , 就能理解混沌 。 只需要一个钟摆 。
混沌系统有一种叫做 \"对初始条件的敏感依赖\"的东西 。 这意味着 , 不仅中国的一只蝴蝶可能导致纽约下雨 , 而且如果你重复这个实验 , 永远不会得到相同的结果 。 对于科学家来说 , 这是一个能够精确预测未来的理论障碍 , 即使没有量子力学的测不准原理 。
让我们看一个例子 。 以一个钟摆为例 , 用两个量来描述它在任何时候的状态:位置(由其沿摆动方向的位置给出)和动量(其质量和速度的乘积) 。 如果把这两个值画在一个网格上 , 位置在横轴上 , 动量在纵轴上 , 在一系列的时间里 , 你会看到钟摆描出一条线 。 这个网格被称为钟摆的相空间 。 这条线是它的相空间轨迹 。
假设钟摆的开始位置和动量为(x , p) , 在网格上记录了它的运动轨迹 。 现在 , 从一个不同的位置开始(x+δ , p+ε) 。 新的轨迹将与旧的轨迹发生偏离 。 然而 , 对于一个非混沌摆来说 , 它要么收敛 , 要么保持非常接近 。 这就是对初始条件的敏感依赖性 。
然而 , 这种差异在许多情况下并不是指数级的 , 因为混沌系统有所谓的奇异吸引子 , 也就是一组初始条件 , 称为吸引力盆地(a basin of attraction) , 被吸引到相空间的一个特定区域 。 这意味着 , 一个混沌摆 , 当在一个吸引盆地中开始时 , 将趋向于一个类似于从盆地中其他点的轨迹 , 但永远不会是相同的轨迹 。
Mixmaster宇宙(MM宇宙)Mixmaster宇宙是查尔斯-米斯纳(Charles Misner)在20世纪60年代提出的早期宇模型 。 Mixmaster宇宙是同质的 , 这意味着 , 像大多数宇宙学模型一样 , 它假定整个宇宙的物质密度是相同的 。 然而 , 它不是一个各向同性的宇宙 , 而是各向异性的 , 意味着宇宙在不同的方向上可能表现得不同 。 你可以把球体看作是一个各向同性的固体 , 而椭圆体或扁球形是各向异性的 。
Mixmaster宇宙以Sunbeam Mixmaster命名 , Sunbeam是Sunbeam Products的一个品牌 , 电动厨房搅拌机
根据我们的观察 , 我们的宇宙是同质的并且是各向异性的 。 因此 , Mixmaster宇宙(如果存在) , 必须是非常早期的宇宙 。 宇宙开始时应该是各向异性的 , 并迅速收敛到各向同性的形式 。
Mixmaster宇宙是一个混沌的宇宙 。 它在一个方向上反复膨胀和收缩 , 同时在另一个方向上膨胀 , 然后这些方向互换位置 。 因此 , 它的行为就像一个三维混合器 , 反复而随机地挤压和膨胀 。
米斯纳认为Mixmaster宇宙可以解释为什么宇宙微波背景(CMB)混合得如此之好 。 这不可能是普通的电磁力或其他力导致的 。 天体物理学家现在认为 , 是膨胀造成了混沌 。mixmaster宇宙是爱因斯坦方程的唯一解 , 已被证明是混沌的 。
虽然混沌是一个很容易理解的概念 , 但它是出了名的难以证明 。 我们所知的大多数混沌系统都是一维或二维的 , 证明多维系统混沌的标准方法实际上是将其简化为一维问题 。 因此 , 证明一个四维宇宙学是混沌的是一个艰巨的任务 。
但首先 , 混沌( chaos)与混合有(mixing)什么关系?
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