混沌不是随机:一位复杂系统科学家的解释

由:米切尔Newberry|

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微小的变化,比如蝴蝶扇动翅膀,可以在一个混乱的系统中被放大到下游。教育图片/盖蒂图片社

混乱让人想起侏罗纪公园里疯狂奔跑的恐龙,或者我朋友蹒跚学步的孩子在客厅里肆虐。

在一个混乱的世界,你永远不知道会发生什么。每时每刻都有事情发生,由各种随机的冲动所驱动。

但混沌在物理学和气候科学中有更深的含义,与某些系统有关,比如天气或者幼儿的行为,从根本上来说是不可预测的。

科学家将混沌定义为当前微小变化的放大效应,导致长期的不可预测性。画两个几乎相同的故事情节。在一个版本中,两个人在火车站偶遇;但在另一个地方,火车提前10秒到达,而会面却从未发生。从那时起,这两条情节线可能会完全不同。

通常这些小细节并不重要,但有时微小的差异会产生持续累积的后果。这种复合导致了混乱。

20世纪60年代和70年代的一系列令人震惊的发现表明,制造混乱是多么容易。没有什么比落地钟摇摆的钟摆更容易预测了。但是如果你通过增加另一个轴来分离一个钟摆,摇摆就变成了非常不可预测

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如果火车提前几秒钟到达,谁不会在人群中相遇呢?
SOPA图像/盖蒂图片社

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混乱不同于随机

作为一个复杂系统科学家,我想了很多什么是随机的

一副纸牌和天气有什么区别?你不能预测你的下一手牌——如果你能,他们会把你赶出赌场——而你可能可以猜测明天的天气。但是两周后的天气怎么样?还是一年后?

随机性,就像纸牌或骰子,是不可预测的,因为我们没有正确的信息。混乱介于随机和可预测之间。混沌系统的一个特点是在短期内可预测,但随着时间的推移会迅速崩溃,比如在河流激流或其他地方生态系统

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为什么混沌理论很重要

艾萨克·牛顿把物理学想象成一套控制发条宇宙的规则——这些规则一旦启动,就会导致一个预定的结果。但混沌理论证明即使是严格的规则和近乎完美的信息会导致不可预知的结果。

这种认识在决定哪些事情是可预测的方面有实际应用。混乱就是为什么没有天气应用程序能告诉你两周后的天气——因为根本不可能知道。

另一方面,更广泛的预测仍然是可能的。我们不能预测一年后的天气,但我们仍然知道每年这个时候的天气。这就是气候是可以预测的即使天气不好。混沌和随机性理论帮助科学家们分辨出哪些预测有意义,哪些预测没有意义。

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混乱可以解释为什么气候是可预测的而天气是不可预测的。
SOPA图像/盖蒂图片社

米切尔Newberry是密歇根大学复杂系统的助理教授。

本文转载自谈话在知识共享许可下。你可以找到原文在这里。

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