拉普拉斯的主要理论是什么?混沌理论是谁提出的?
美国数学家约克和他的研究生李在1975年的论文《第三周期的混沌》中首次引入了“混沌”这个名称。美国气象学家洛伦茨在20世纪60年代初研究天气预报中的大气流动时,揭示了混沌的两个基本特征:不可预测性和对初始条件极其敏感的依赖性。同时,他也发现,看似混乱的混沌,还是有一定的有序性的。1971年,法国科学家罗尔和托根斯从数学角度提出了纳维尔-斯托克斯方程湍流解的机理,首次揭示了准周期湍流的路径和相空间中奇异吸引子的存在,是现代科学最有力的发现之一。1976年,美国生物学家梅在对季节繁殖昆虫年种群的模拟研究中,首次揭示了通过倍周期分岔实现混沌的途径。1978年,美国物理学家费根鲍姆对梅的昆虫种群模型重新进行计算机数值实验时,发现了两个常数,称为费根鲍姆常数。这引起了数学物理领域的广泛关注。同时,Mandelbrot用分形几何描述了一大类复杂的、不规则的几何对象,使奇异吸引子具有了分形维数,促进了混沌理论的研究。20世纪70年代末,科学家在许多确定性系统中发现了混沌。混沌作为一门学科目前还在讨论中,没有形成完整成熟的理论。
但也有科学家对混沌理论评价很高,认为“混沌是物理学的第二次革命”。但也有人认为这似乎有点夸张。其应用前景有待进一步揭示。然而,混沌理论的研究与协同学和耗散结构理论密切相关。它们在从无序向有序转化和从有序向无序转化的研究课题上有着相同的任务,所以混沌理论也是自组织系统理论的组成部分。近年来,科学家在混沌控制研究方面取得了重要进展,实现了第一类混沌,即时间序列混沌的控制实验。英国和日本科学家仍在试验利用混沌信号隐藏机密信息的信号传输方法。
当混沌出现时,经典科学就结束了。长期以来,世界各地的物理学家一直在寻找自然的秩序,但面对大气、汹涌的海洋、野生动物数量的骤增或骤减、心脏跳动和大脑的变化等无序现象,他们却相当无知。自然界这些不规则的部分是不连续的,不规则的,这在科学上一直是个谜。
但在20世纪70年代,美国和欧洲的少数科学家开始突破混乱,寻找出路。包括数学家、物理学家、生物学家和化学家,所有人都在寻找各种不规则相。生理学家从人类心脏产生的混乱中发现了令人惊讶的秩序,这是神秘猝死的主要原因。生态学家研究数量的波动,经济学家挖掘股价数据尝试新的分析方法。这些洞见开始浮现,带领我们走向自然世界——云的形状,闪电的路径,血管的微缠绕,星星的聚集。
从研究者的无知到加入世界新科学的疯狂。十年后,混沌已经成为一场代表重塑科学体系的汹涌运动,到处都是关于混沌理论的会议和期刊。在预算中,政府在军队、中央情报局和能源部投入了更多的研究经费来探索混乱,并设立了专门的部门来处理经费的收支。在每一所大学和联合研究中心,理论家们都把混沌视为同性恋事业,其次才是他们的专业。在罗萨拉莫斯,已经建立了一个集成混沌和其他相关问题的非线性研究中心,全国各地的各个校区都出现了类似的机构。
混沌创造了不同的技能,例如使用计算机和处理特殊图形,以及在复杂的外观下捕捉奇妙和微妙的结构模式。这门新科学已经衍生出自己的语言,有独特的技术术语——分形、分叉、间歇、周期、折叠毛巾、相位微分和光滑的面条图。就像传统物理学中的夸克和胶子是物质的新元素一样,对于一些物理学家来说,混沌是一门发展中的科学而不是一个成品,是一种形成而不是一种存在。
混乱似乎无处不在:上升的香烟烟雾爆发出疯狂的烟雾漩涡,旗帜在风中来回摆动,水龙头从稳定的滴水变成了一片混乱。混沌还出现在天气变化、飞机的航道和高速公路上交通群的堵车、地下油管的输送流动;无论使用什么媒介,所有的行为都遵循这个新发现的规律。这种经历也开始改变企业家做出保险决策的方式,天文学家观察太阳系,政治学者讨论武装冲突的压力。
混沌超越了不同科学学科的界限,因为它是各种系统的宏观相,它汇集了世界各地的思想家。一位管理科学预算的海军军官曾对一群数学家、生物学家、物理学家和医生说:“15年前,科学正进入一场陷入困境的危机,但这种精细的分工却因为混沌理论而被戏剧性地整合了。”新科学最狂热的支持者认为,20世纪科学中只有三部代代相传的著作:相对论、量子力学和混沌理论。他们认为混沌已经成为本世纪物理科学的第三次伟大革命。和前两次革命一样,混沌理论推倒了牛顿物理学中被奉为圭臬的信条。正如一位物理学家所说:相对论否定了牛顿对绝对时空的描述;量子论否定了牛顿可控测量过程的梦想;混沌理论粉碎了拉普拉斯关于因果决定论可预测性的幻想。
混沌理论的革命适用于我们看得见摸得着的世界,在人类的尺度上发挥作用。世界中的日常生活经验、个人和真实场景成为合适的研究对象。很长一段时间,有一种不常公开表达的感觉——理论物理似乎离人类对世界的直觉很远(比如你真的相信羽毛和石头下落的速度是一样的吗?伽利略从比萨斜塔上扔下一个球体的故事是一个神话!没有人知道一个新理论会成为一个坚实的异端还是仅仅是一个普通的异端,但对于一些走投无路的物理学家来说,混沌理论是他们新的出路。
混沌理论的研究是从原来物理学范畴的落后部分凸显出来的。粒子物理主宰二十世纪的全盛时期已经过去,用粒子物理术语解释自然规律的局限性,除了最简单的系统,对大多数问题几乎是无能为力的。就可预测性而言,两个粒子在云实验室中绕着一个加速器赛跑并最终碰撞是一回事,但对于在简单导管中缓慢移动的流体、地球的天气或人类的头部则完全不同。
当混沌革命继续发展时,顶级物理学家发现自己舒适地回到了人类尺度上的一些现象。他们不仅研究星云,还开始研究云。他们不仅在克雷超级计算机上,而且在麦金塔上进行了卓有成效的计算机研究。一流期刊发表文章,讲一个球在桌子上跳的奇怪力量,和量子力学的文章平起平坐。最简单的系统也会产生令人困惑的可预测性问题。尽管如此,秩序还是会突然从这些系统中出现——秩序和混乱。只有一门新的科学可以把微观联系起来:例如,一个水分子、一个心脏组织细胞、一个中子;以及数百万个宏观物体的集体行为。
观察瀑布底部两个相邻的泡泡,你能猜出它们在瀑布顶部时有多远吗?其实是没有痕迹的,就像标准物理学认为的,好像上帝偷偷把所有的水分子放在一个黑盒子里搅拌。通常物理学家看到这么复杂的结果,都会去找复杂的原因。当他们看到事物进出系统的混沌关系时,他们认为任何现实可行的理论都有必要人为地加入扰动或误差,加入随机因素。现代对混沌理论的研究始于20世纪60年代,逐渐认识到一个相当简单的数学方程可以描述一个像瀑布一样粗糙和不可预测的系统。只要一开始输入很小的差异,很快就会导致相反的结果。这种现象被称为“对初始条件的敏感依赖”。比如在天气现象中,这可以半开玩笑地解释为众所周知的蝴蝶效应——一只蝴蝶今天在北京展开翅膀,会扰乱空气,可能引发下个月纽约的风暴。
当混沌理论的探索者们开始回忆新科学的发展时,他们追溯到过去知识领域的许多破旧的路径。但是其中有一点特别清楚。对于革命征途上的年轻物理学家和数学家来说,蝴蝶效应是他们相同的起点。