听过蝴蝶效应的你也知道混沌理论吗| 趣读

核心提示伊万这个有着不幸童年的大学生感觉有点迷失,在小时候经历了一系列糟糕的事情,损坏了他原本完美的人生。可怕的是,这些事情就像消失进了黑洞一样,伊万怎么也想不起来。 在童年可怕记忆的折磨下,伊万请求心理医生的帮助,医生鼓励他用旅行来放松自己,此外

伊万这个有着不幸童年的大学生感觉有点迷失,在小时候经历了一系列糟糕的事情,损坏了他原本完美的人生。

可怕的是,这些事情就像消失进了黑洞一样,伊万怎么也想不起来。

在童年可怕记忆的折磨下,伊万请求心理医生的帮助,医生鼓励他用旅行来放松自己,此外,每天把发生的事情一件件详细记下来。

如今,在旅行和写日记的帮助下,进入大学的伊万突然意识到,记录自己每天所做事情的笔记本,可以帮助自己找回孩童时候的记忆。

很快伊万通过记事本找回了记忆,但找回了记忆的伊万并没感到快乐,相反内疚代替了黑洞开始折磨他,令他痛苦极了。

在痛苦的边缘,伊万希望能够彻底摆脱童年的阴影,于是他幻想着用现在的意识,潜入童年的身体,修正当年的过失。

然而他一次次跨越时空的更改,只能越来越导致现实中变得越来越偏离原定计划。一切就像蝴蝶效应般,牵一发而动全身。

这个故事来自2004年的一部经典影片《蝴蝶效应》,影片用环回式的结构,探讨了一个关于命运的话题,如果当时没有顽皮,那么结局会不会变得更好?

如果那天没有怎样,那么现在是否会是我想要的结局?这便是蝴蝶效应。在蝴蝶效应中,每一个决定都会产生长期的后果,将主角伊万的生活改变得面目全非。

美国气象学家爱德华·洛伦兹1963年在一篇提交纽约科学院的论文中分析了这个效应。“一个气象学家提及,如果这个理论被证明正确,一只海鸥扇动翅膀足以永远改变天气变化。”

当时,当洛伦兹制作了一个电脑程序,这个可以模拟气候的变化,并用图像来表示。

最后他发现,图像是混沌的,而且十分像一只张开双翅的蝴蝶,因而他形象地将这一图形以“蝴蝶扇动翅膀”的方式进行阐释,之后,对于这个效应最常见的阐述是:“一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶,偶尔扇动几下翅膀,可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。”

洛伦兹完成了仿真地球大气的13个方程式的求解,并模拟出了不同条件下的图解

也就是说一只蝴蝶在亚马逊扇动翅膀,其所产生的连锁反应,真的有可能引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。

因此,蝴蝶效应是指在一个动力系统中,初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期的巨大的连锁反应,并将其命名为混沌运动。

因首次发现混沌现象,洛伦兹被称为混沌理论之父。蝴蝶效应也成为了混沌理论的代名词。

当然,蝴蝶效应只是混沌系统的一个比喻。混沌系统是指在一个确定性系统中,存在着貌似随机的不规则运动,其行为表现为不确定性、不可重复、不可预测,这就是混沌现象。

通常情况下,你会发现微小的扰动以指数级快速增加,致使长期预测变得不可能。

相比于混沌系统,有节律的系统并不显现这种对小干扰的过度敏感。

拍打一个节拍器,它会断断续续地移动,但随后仍会恢复它持续不断的嘀嗒声。

虽然这会使计时产生偏差,但这种偏差不会随着时间的推移而增长。通过下面这个视频,我们可以理解得更清楚。

06:12

没有节律的节拍器在慢慢变得同步起来

1997年,当时还在佐治亚理工的Rajarshi Roy用混沌激光器之间的同步,实现了用混沌光信号对信息的隐藏,从此开辟了混沌保密通信的一个新的研究方向——混沌同步。

混沌同步的发现同样丰富了我们对于同步本身的理解。过去,同步一直被认为与节律相关,这两个概念如此紧密地联系在一起,人们很容易就会忽视同步和节律之间的区别。

节律性意味着某事物在固定的时间间隔内重复之前的行为,同步意味着两件事同时发生。

混沌的出现是因为许多同步现象同时也具有节律性。

同步的萤火虫不仅闪光一致,它们的闪光还具有周期性,闪光的时间间隔固定;心脏起搏细胞以恒定的速率,步调一致地发射;月球绕地球公转一周的同时也自转一周,它的自转和公转都遵循着周期性,循环往复。

而且在《同步》一书中,“复杂性理论”开创性研究者斯蒂芬·斯托加茨更是进一步揭示了同步:也许我们本能地意识到,如果找到了自发秩序的源头,那么我们就会发现宇宙的秘密。

这本书的英文版一经上市,就获得了各方专家相当高的评价:

《同步》是一门重要的前沿科学的一次伟大旅行……同步像混沌一样迷人而又富有哲理,只有它才能解释日常生活中那些与常理相悖的现象,自然界中许多令人惊讶的秩序的实例都是同步现象。

——保罗·霍夫曼

科普作家,《只喜欢数字的人》《疯狂之翼》作者

这本书是我见过好的一本关于构成现代复杂性理论的各学科的介绍,或许它应该被称为“新科学”。

——菲利普·安德森

诺贝尔奖获得者,普林斯顿大学约瑟夫·亨利物理学教授

我阅读了大量关于复杂性和自组织秩序的书籍,特别是与网络和日常环境中所看到的各类关系模式相关的书籍。这些书大部分都很有趣,但很多都是噱头大于内容。将“小世界网络”带到舞台中央的先驱——斯蒂芬·斯托加茨写了一本出色的书,逻辑清晰,充满趣味,同时又严谨缜密。此书的中心思想是解释同步现象:闪烁的萤火虫、心脏细胞有节律的跳动、行星和小行星的运动。一旦拿起这本书,你会发现自己很难再把它放下。

——罗伯特·梅

牛津大学教授

希望有机会可以和大家一起仰望星空,探索宇宙的奥秘!

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