نظریه هرج و مرج توضیح داد: شیرجه عمیق به یک جهان غیرقابل پیش بینی

نظریه هرج و مرج به همین دلیل است که ما هرگز قادر به پیش بینی کامل آب و هوا نخواهیم بود.

نظریه هرج و مرج در این تصویر نشان داده شده است ، که با قرار گرفتن در معرض طولانی از نور در پایان یک آونگ دوتایی ایجاد شده است.(اعتبار تصویر: Wikimedia Commons/Cristian V.)

• درک نظریه هرج و مرج
• سیستم های هرج و مرج همه جا هستند
• نظریه هرج و مرج و اسرار فراکتال ها
• تناقض و جاذبه های عجیب
• منابع اضافی
• کتابشناسی - فهرست کتب

نظریه هرج و مرج رفتار سیستم های پویا مانند آب و هوا را توضیح می دهد ، که نسبت به شرایط اولیه بسیار حساس هستند.

این بسیار خوب خواهد بود که پیش بینی آب و هوا نه فقط یک هفته قبل بلکه یک ماه یا حتی یک سال از آینده را بدانید. اما پیش بینی هوا چندین مشکل دشوار را نشان می دهد که ما هرگز قادر به حل آن نخواهیم بود.

دلیل این که چرا فقط پیچیدگی نیست - دانشمندان به طور مرتب با سهولت مشکلات پیچیده را برطرف می کنند - این چیزی اساسی تر است. این چیزی است که در اواسط قرن بیستم کشف شده است: حقیقت که ما در یک جهان هرج و مرج زندگی می کنیم که از بسیاری جهات کاملاً غیرقابل پیش بینی است. اما در اعماق آن هرج و مرج پنهان است ، الگوهای تعجب آور ، الگویی است که اگر ما همیشه بتوانیم آنها را کاملاً درک کنیم ، ممکن است منجر به افشاگری های عمیق تر شود.

درک نظریه هرج و مرج

یکی از چیزهای زیبا در مورد فیزیک این است که قطعی است. اگر تمام خواص یک سیستم را می شناسید (جایی که "سیستم" می تواند به معنای هر چیزی از یک ذره واحد در جعبه گرفته تا الگوهای آب و هوایی روی زمین یا حتی تکامل خود جهان باشد) و شما قوانین فیزیک را می دانید ، پس می توانیدآینده را کاملاً پیش بینی کنید. شما می دانید که چگونه سیستم از ایالت به ایالت دیگر تکامل می یابد. این جبرگرایی است. این همان چیزی است که به فیزیکدانان اجازه می دهد تا در مورد چگونگی تکامل ذرات و آب و هوا و کل جهان پیش بینی کنند.

با این حال ، به نظر می رسد که طبیعت می تواند هم قطعی و هم غیرقابل پیش بینی باشد. ما برای اولین بار در دهه 1800 به این راه اشاره کردیم ، هنگامی که پادشاه سوئد جایزه ای را به هر کسی که می تواند به اصطلاح مشکل سه بدن را حل کند ، ارائه داد. این مشکل با پیش بینی حرکت طبق قوانین اسحاق نیوتن سر و کار دارد. اگر دو شیء در منظومه شمسی فقط از طریق گرانش در تعامل باشند ، قوانین نیوتن دقیقاً به شما می گویند که چگونه این دو شیء به خوبی در آینده رفتار می کنند. اما اگر یک بدنه سوم اضافه کنید و اجازه دهید بازی گرانشی را نیز انجام دهد ، هیچ راه حلی وجود ندارد و شما قادر به پیش بینی آینده آن سیستم نخواهید بود.

ریاضیدان فرانسوی ، هنری پینکار (مسلماً یک سوپرژنیوس) بدون اینکه واقعاً مشکل را حل کند ، این جایزه را به دست آورد. او به جای حل آن ، در مورد این مشکل نوشت و تمام دلایلی را که نمی توان آن را حل کرد ، توصیف کرد. یکی از مهمترین دلایلی که وی تأکید کرد این بود که چگونه اختلافات اندک در ابتدای سیستم در پایان به اختلافات بزرگی منجر می شود.

این ایده تا حد زیادی به استراحت رسید و فیزیکدانان ادامه دادند ، با فرض اینکه جهان قطعی است. یعنی آنها تا اواسط قرن بیستم هنگامی که ریاضیدان ادوارد لورنز در حال مطالعه یک مدل ساده از آب و هوای زمین بر روی رایانه اولیه بود ، این کار را کردند. هنگامی که او متوقف شد و شبیه سازی خود را مجدداً راه اندازی کرد ، او با نتایج بسیار متفاوتی به پایان رسید ، که نباید چیزی باشد. او در حال قرار دادن ورودی های مشابه بود و او مشکل را بر روی رایانه حل می کرد و رایانه ها در انجام همان کارها بارها و بارها خوب هستند.

آنچه او پیدا کرد حساسیت شگفت آور نسبت به شرایط اولیه بود. یک خطای کوچک گرد ، بیش از 1 قسمت از یک میلیون ، منجر به رفتار کاملاً متفاوت آب و هوا در مدل وی نمی شود.

آنچه لورنز اساساً کشف کرد هرج و مرج بود.

سیستم های هرج و مرج همه جا هستند

(در برگه جدید باز می شود)

این نشانه امضای یک سیستم هرج و مرج است ، همانطور که برای اولین بار توسط Poincaré مشخص شد. به طور معمول ، هنگامی که شما یک سیستم را با تغییرات بسیار ناچیز در شرایط اولیه شروع می کنید ، فقط تغییرات بسیار کمی در خروجی به دست می آورید. اما در مورد آب و هوا اینگونه نیست. یک تغییر کوچک (به عنوان مثال ، یک پروانه که بال های خود را در آمریکای جنوبی می چرخاند) می تواند به تفاوت عظیمی در آب و هوا (مانند شکل گیری طوفان جدید در اقیانوس اطلس) منجر شود.

سیستم های هرج و مرج در همه جا هستند و بر جهان مسلط هستند. یک آونگ را در پایان آونگ دیگر بچسبانید و یک سیستم بسیار ساده اما بسیار آشوب آور دارید. مشکل سه بدن که توسط Poincaré از آن غافلگیر شده است ، یک سیستم هرج و مرج است. جمعیت گونه ها با گذشت زمان یک سیستم هرج و مرج است. هرج و مرج همه جا است.

این حساسیت به شرایط اولیه بدان معنی است که با سیستم های هرج و مرج ، پیش بینی های محکم غیرممکن است ، زیرا هرگز نمی توانید دقیقاً ، دقیقاً ، به نقطه اعشاری بی نهایت وضعیت سیستم را بدانید. و اگر حتی از کمترین بیت ، بعد از زمان کافی ، هیچ تصوری از سیستم انجام می دهید.

به همین دلیل پیش بینی کامل آب و هوا غیرممکن است.

نظریه هرج و مرج و اسرار فراکتال ها

چندین ویژگی شگفت آور وجود دارد که در این غیرقابل پیش بینی و هرج و مرج دفن شده است. آنها بیشتر در چیزی به نام فاز فاز ظاهر می شوند ، نقشه ای که وضعیت یک سیستم را در نقاط مختلف زمان توصیف می کند. اگر خواص یک سیستم را در یک "عکس فوری" خاص می شناسید ، می توانید یک نقطه در فاز را توصیف کنید.

با تکامل و تغییر وضعیت و ویژگی های خود ، می توانید عکس فوری دیگری بگیرید و یک نکته جدید را در فاز فاز توصیف کنید ، با گذشت زمان مجموعه ای از نقاط. با داشتن چنین نکاتی کافی ، می توانید ببینید که سیستم با گذشت زمان چگونه رفتار کرده است.

برخی از سیستم ها الگویی به نام جاذبه ها را نشان می دهند. این بدان معناست که مهم نیست که از کجا سیستم را شروع می کنید ، در نهایت به یک حالت خاص تبدیل می شود که به خصوص از آن علاقه مند است. به عنوان مثال ، مهم نیست که کجا یک توپ را در دره رها می کنید ، در انتهای دره به پایان می رسد. آن پایین جذب این سیستم است.

وقتی لورنز به فضای فاز مدل آب و هوایی ساده خود نگاه کرد ، او یک جاذبه پیدا کرد. اما آن جاذبه به نظر نمی رسید چیزی که قبلاً دیده شده بود. سیستم هواشناسی او الگوهای منظم داشت ، اما همین حالت هرگز دو بار تکرار نشد. هیچ دو امتیاز در فاز فاز هرگز با هم همپوشانی ندارد. همیشه.

تناقض و جاذبه های عجیب

سیستم آب و هوایی منظم و بدون تکرار همان حالت مانند یک تضاد آشکار به نظر می رسید. یک جاذبه وجود داشت. یعنی این سیستم مجموعه ای از کشورها را ترجیح می داد. اما همان حالت هرگز تکرار نشد. تنها راه توصیف این ساختار به عنوان یک فراکتال است.

اگر به فضای فاز سیستم آب و هوایی ساده لورنز نگاه کنید و روی یک قطعه کوچک از آن بزرگنمایی کنید ، یک نسخه کوچک از فضای دقیقاً همان فاز را مشاهده خواهید کرد. و اگر بخش کوچکتری از آن را بگیرید و دوباره بزرگنمایی کنید ، یک نسخه تین تر از همان جاذبه را مشاهده خواهید کرد. و غیره و غیره به بی نهایت. چیزهایی که به نظر می رسد یکسان تر به آنها نگاه می کنید ، فراکتال هستند.

داستان های مرتبط:

بنابراین سیستم آب و هوا دارای جذابیت است ، اما عجیب است. به همین دلیل به معنای واقعی کلمه آنها را به عنوان جاذبه های عجیب خوانده می شود. و آنها نه تنها در آب و هوا بلکه در انواع سیستم های هرج و مرج رشد می کنند.

ما ماهیت جاذبه های عجیب ، اهمیت آنها یا نحوه استفاده از آنها را برای کار با سیستم های هرج و مرج و غیرقابل پیش بینی کاملاً درک نمی کنیم. این یک زمینه نسبتاً جدید ریاضیات و علوم است و ما هنوز در تلاش هستیم تا سرمان را به اطراف خود بپیچیم. این سیستم های هرج و مرج ممکن است به نوعی تعیین کننده و قابل پیش بینی باشد. اما هنوز مشخص نشده است ، بنابراین در حال حاضر ، ما فقط باید برای پیش بینی آب و هوای آخر هفته خود حل و فصل کنیم.

منابع اضافی

با این مقاله توضیح دهنده از مکالمه درباره نظریه هرج و مرج بیشتر بدانید (در برگه جدید باز می شود). در مورد ادوارد لورنز در این زندگی نامه کوتاه از دانشگاه سنت اندروز (در برگه جدید باز می شود) بخوانید. با این مقاله از وب سایت ارتباطات علمی مهندسی جالب (در برگه جدید) اثر پروانه را با جزئیات بیشتر کاوش کنید.

با گوش دادن به قسمت "آیا جهان واقعاً قابل پیش بینی است؟"(در برگه جدید باز می شود) در پادکست "Ask A Spaceman" ، موجود در iTunes (در برگه جدید باز می شود) و در وب در http://www. askaspaceman. com (در برگه جدید باز می شود).

با تشکر از کارلوس T. ، Akanksha B. ، ttfoundtainworks و Joyce S. برای سؤالاتی که منجر به این قطعه شد! سوال خود را در توییتر با استفاده از #askaspaceman یا با دنبال کردن paulpaulmattsutter و facebook. com/paulmattsutter سؤال کنید.

کتابشناسی - فهرست کتب

اوستریشر ، مسیحی."تاریخچه تئوری هرج و مرج. (در برگه جدید باز می شود)" دیالوگ های در علوم عصبی بالینی 9. 3 (2007): 279.

GHYS ، Etiee."جاذبه لورنز ، الگوی هرج و مرج. (در برگه جدید باز می شود)" Chaos (2013): 1-54.

ویلیامز ، گارنت. نظریه هرج و مرج tamed (در برگه جدید باز می شود). CRC Press ، 1997.

سیواکومار ، بل."نظریه هرج و مرج در ژئوفیزیک: گذشته ، حال و آینده. (در برگه جدید افتتاح می شود)" هرج و مرج ، سلیتونز و فراکتال 19. 2 (2004): 441-462.

به انجمن های فضایی ما بپیوندید تا در آخرین مأموریت ها ، آسمان شب و موارد دیگر صحبت کنید! و اگر یک نکته خبری ، تصحیح یا نظر دارید ، به ما اطلاع دهید: community@space. com.