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这内容有点儿可怕,宇宙中也在上演着“蝴蝶效应”?

2019-1-29 12:00| 投稿: xiaotiger |来自: 互联网


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摘要: 蝴蝶振一振翅膀,就能引发一场混乱。类似的蝴蝶效应不仅在生活中很常见,在浩瀚的宇宙也同样常见。比如一颗大的掠日彗星撞击太阳,极有可能会导致一系列未知事件的发生。因为太阳是混沌的,你永远不能准确知晓它将会 ...
蝴蝶振一振翅膀,就能引发一场混乱。类似的蝴蝶效应不仅在生活中很常见,在浩瀚的宇宙也同样常见。比如一颗大的掠日彗星撞击太阳,极有可能会导致一系列未知事件的发生。因为太阳是混沌的,你永远不能准确知晓它将会引发什么。这就好比天气系统不能100%的做出预报,再好比是引力的摄动,都存在着极大的未知。


从太阳系和小行星带看宇宙中的蝴蝶效应

太阳系是怎么形成的?这一答案的产生最早源自星云说。早期的太阳系是一大团氢分子云,这些氢分子云起初可能是受到附近的超新星激波的扰动,密度开始变得不均匀,最终形成了我们目前的太阳系。试想如果这些氢分子云没有受到影响,也就意味着没有太阳系的形成。而如果没有太阳系的存在,很可能就没有如今的我们。这就像如果地球距离太阳再近一点或远一点,而不是处于适居带区域,那么我们的生命也将不复存在。

小行星带位于火星与木星之间,这里有成千上万的小行星。木星每一次强大引力的摄动,都将导致小行星的“乱串”,谁也预测不到什么时候它会撞向哪颗行星。可见,每一个看似微小的扰动,都有可能给地球带来灾难。



主要的小行星带(以白色显示)位于火星和木星轨道之间。从天球北极观察。图Mdf. Translated to traditional Chinese by Patrick Rowe.

什么是蝴蝶效应?

首先,你需要了解什么是蝴蝶效应?简单来说,就是一个极为微小的变化,将引发一系列连锁式的变化。

一个经典的例子:蝴蝶煽动一下翅膀,将会引起明显的天气变化。这种现象如果用来说明日常生活,就是您现在做的每一个动作,都将影响您下一秒要做的事。更准确的说,是将会影响下一个普朗克时间。

在混沌理论中,蝴蝶效应和初始状态的敏感依赖性有关。这个术语是由美国气象学家爱德华·罗伦兹(Edward Lorenz)提出的。他发现一只蝴蝶即使在很遥远的地方煽动几下翅膀,也会对龙卷风有所扰动。

罗伦兹在他的天气模型数值中,植入了一些看似无关紧要的初始条件数据,结果他发现新产生的数据和之前的并不一致,也就是说初始条件的微小变化,将会产生一些截然不同的结果,这种现象被他称作“蝴蝶效应”。



二维相空间中的点吸引子,图:Indolences

引力摄动是如何被关注的?

在天文学中,摄动的含义是:大质量物体受到除单个其他质量物体引力之外的力的复杂运动。它受到来自大气的阻力,以及扁形物体或其他畸形物体的偏心引力。

对摄动的研究,始于夜空中行星运动的预测。

牛顿在阐述他的运动定律和万有引力定律时,首先把它们应用于对摄动的分析中,他认识到摄动的计算过程既困难又复杂。从那时起,许多伟大的数学家开始关注和摄动相关的各种问题。

到了18和19世纪,人们需要精确的月球和行星位置表,以便进行海上的导航,这就更加需要研究摄动的影响。



这张图描绘出在未来的50,000年间,水星、金星、地球、和火星的轨道离心率变化。原点(0点)是2007年。图:frankuitaalst from the Gravity Simulator message board.

多体问题的特殊性有哪些?

与大量相互作用的粒子所构成的微观系统性质有关的物理问题的总称,就是多体问题。

这里的微观,意味着必须使用量子力学来为系统提供准确的描述。大量则是指,可以是从3到无穷远(在实际上是无限的,均匀的或周期性的系统,例如晶体)。由于三体系统和四体系统可以通过特定的方法(分别是Faddeev和Faddeev-Yakubovsky方程)来处理,所以有时也被单独归类为少体系统。

在这样的量子系统中,粒子之间的重复相互作用会产生量子相关或纠缠。因此,系统的波函数是一个包含大量信息的复杂结构,通常无法进行分析或是精确的计算。也就是说,多体理论物理学最常依赖于一组特定于当前问题的近似值,并且是超级计算机的科学领域之一。

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