用故事讲述混沌现象
  • 来源:科普时报
  • 作者:王大鹏
  • 2022-09-23 17:01

2021年的诺贝尔物理学奖有些出人意料,三位获奖者均为气象学家,他们因对“混沌和明显随机现象”的研究而获奖。美籍日裔科学家真锅淑郎建立了最早的地球气候物理模型,德国科学家克劳斯·哈塞尔曼将混乱变化的天气现象作为快速变化的噪音纳入计算,并证明这种噪音如何影响气候,从而为长期气候预测奠定了坚实科学基础。而聚焦于微观尺度的意大利科学家乔治·帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式,奠定了复杂系统理论的基石。

实际上气候是一个复杂多变的系统,我们往往会用“混沌”来描述它,但是混沌不等于混乱,它并不是指“没有规律”或者“混乱无序”,而具有非线性、类随机、无规律、模糊关系、对初值极其敏感等特性。只不过有些反直觉的是,虽然混沌系统有规律,但我们就是无法准确预测。

混沌理论与相对论和量子理论被并称为“二十世纪三大革命科学”,它对机械论提出了挑战,因为机械论认为,自然就像一台精密的机器,只要我们找到了相应的物理规律,就可以精确预测事物的发展,而一个物理规律,可以看成是一个函数。曾经有一位物理学家说:“相对论破除了对于绝对时空的牛顿式幻觉,量子理论破除了对于可控测量过程的牛顿式梦想,而混沌破除了对于决定论式的可预测性的拉普拉斯式幻想。”

由知名作家詹姆斯·格雷克所著的《混沌——开创一门新科学》就一针见血地指出:“混沌开始的地方,正是经典科学止步之处。”这本书系统地介绍了混沌及其相关学科的科学知识,同时也阐释了“混沌”这一科学领域从一个小问题逐渐发展为一门新科学的过程,有人说它像是一本科学家们的“口述历史”。因为作者通过大量的研究案例介绍了各学科的科学家对混沌现象及混沌理论的记录和研究,深入浅出地为读者呈现了混沌现象的研究历程,涵盖它的起源、发展、现状和未来,以及那些为这门学科作出重大贡献的科学家们的故事,是从混沌现象的发现到理论发展历程的完整阐述,是一部图文并茂的报告文学。

当然,作为一本系统介绍混沌理论或者说一门新科学的科普图书,作者必然要首先介绍混沌的起源或者说这种思想的来源,因而他以科学史的视角从阿基米德的浴缸、牛顿的苹果、伽利略的教堂吊灯等经典物理讲起,进而有线性过渡到非线性的问题。

这本书不仅以讲故事的方式阐明了混沌现象的基本特征,而且还介绍了蝴蝶效应、分形几何、奇怪吸引子、科赫曲线、曼德尔布罗特集合等等,既有科学上的精确性,也有让人着迷的通俗性。当然,作者并非为“混沌”而“混沌”,而是通过对混沌理论的系统性介绍让我们了解到,混沌并非偶然的、个别的事件,它普遍存在于宇宙间各种各样的宏观及微观系统之中,万事万物,混沌无处不在。

最后作者的落脚点是,作为系统从有序突然变为无序状态的一种演化理论,混沌是对确定性系统中出现的内在“随机过程”形成的途径、机制的探讨。混沌不仅开创了一门新科学,它更让我们看清我们周围的世界,理解大自然的本质是非线性的。不过在一个混沌系统中存在着非线性的规律,还有可能存在统计规律。只有掌握非线性思维和统计思维,我们才能有效地分析和控制各种复杂系统。

(作者系中国科普研究所副研究员、中国科普作家协会理事)

责任编辑:于翔
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