Теорија хаоса демонстрирана је на овој слици, која је створена дугим излагањем светлости на крају двоструког клатна.
(Слика: © Викимедиа Цоммонс / Цристиан В.)
Било би заиста лепо знати временску прогнозу не само недељу дана уназад, већ и месец или чак годину дана у будућност. Али предвиђање времена представља низ шкакљивих проблема које никад нећемо моћи у потпуности решити. Разлог зашто није само сложеност - научници редовно с лакоћом решавају сложене проблеме - то је нешто много темељније. То је нешто што је откривено средином 20. века: истина да живимо у хаотичном универзуму који је, по много чему, потпуно непредвидив. Али скривени дубоко у том хаосу изненађујуће су обрасце, обрасце који, ако их икада будемо у стању потпуно разумети, могу довести до неких дубљих открића.
Разумевање хаоса
Једна од лепих ствари о физици је да је она детерминистичка. Ако знате сва својства система (где „систем“ може значити било шта, од једне честице у кутији до временских образаца на Земљи или чак еволуције самог универзума) и знате законе физике, онда можете савршено предвиђају будућност. Знате како ће се систем развијати из државе у државу како вријеме напредује. Ово је детерминизам. То омогућава физичарима да предвиђају како ће се током времена развијати честице и време и цео свемир.
Испоставило се, међутим, да природа може бити и детерминистичка и непредвидива. Наговештаје о овом путу први пут смо добили још у 1800-има, када је шведски краљ понудио награду свима који би могли да реше такозвани проблем са три тела. Овај проблем се бави предвиђањем кретања према законима Исааца Невтона. Ако два објекта у Сунчевом систему функционишу само путем гравитације, тада Невтонови закони тачно говоре како ће се та два објекта добро понашати у будућности. Али ако додате треће тело и пустите да игра и гравитациону игру, тада нема решења и нећете моћи да предвидите будућност тог система.
Француски математичар Хенри Поинцаре (вјероватно супергениј) освојио је награду, а да заправо није ријешио проблем. Уместо да га реши, писао је о проблему, описујући све разлоге због којих га није било могуће решити. Један од најважнијих разлога који је нагласио је то како ће мале разлике на почетку система довести до великих разлика на крају.
Ова идеја је у великој мери стала на мировање, а физичари су наставили са претпоставком да је свемир детерминиран. Односно, то су радили до средине 20. века, када је математичар Едвард Лоренз проучавао једноставан модел временског стања Земље на раном рачунару. Кад се зауставио и поново покренуо своју симулацију, завршио је са нешто другачијим резултатима, што не би требало да буде ствар. Уносио је потпуно исте инпуте и решавао је проблем на рачунару, а рачунари су заиста добри и изнова обављајући исте ствари.
Оно што је пронашао је изненађујућа осетљивост на почетне услове. Једна ситна грешка заокруживања, не више од једног дела у милиону, довела би до потпуно различитог временског понашања на његовом моделу.
Оно што је Лоренз у суштини открио је хаос.
Спотакните се у мраку
Ово је знак хаотичног система, што је Поинцаре први препознао. Нормално, када покренете систем са врло малим променама иницијалних услова, добијате само врло мале промене у излазу. Али то није случај са временом. Једна ситна промена (нпр. Лептир који маше крилима у Јужној Америци) може довести до огромне разлике у времену (попут стварања новог урагана на Атлантику).
Хаотични системи су свуда и, у ствари, доминирају универзумом. На крају другог клатна залепите клатно и имате веома једноставан, али врло хаотичан систем. Проблем са три тела који је Поинцаре збунио је хаотичан систем. Популација врста током времена је хаотичан систем. Хаос је свуда.
Ова осетљивост на почетне услове значи да је са хаотичним системима немогуће дати чврста предвиђања, јер никада не можете тачно да знате тачно, до бесконачне децималне тачке стање система. А ако прођете и до најситнијег залогаја, након довољно времена нећете имати појма шта систем ради.
Због тога је немогуће савршено предвидјети временске прилике.
Тајне фрактала
Неколико је изненађујућих карактеристика закопано у овој непредвидивости и хаосу. Појављују се углавном у нечему што се назива фазни простор, мапа која описује стање система у различитим тачкама времена. Ако знате својства система на одређеном "снимку", можете описати тачку у фазном простору.
Како се систем развија и мења своје стање и својства, можете направити још један снимак и описати нову тачку у фазном простору, током времена стварајући колекцију тачака. Са довољно таквих поена, можете видети како се систем временом понашао.
Неки системи показују образац који се зове привлачнице. То значи да без обзира на то где покренете систем, он се еволуира у одређено стање које му је посебно драго. На пример, без обзира где испустите куглу у долини, она ће завршити на дну долине. То дно је привлачник овог система.
Када је Лоренз погледао у фазни простор свог једноставног временског модела, пронашао је атрактор. Али тај привлачњак није изгледао као ништа што је раније виђено. Његов временски систем имао је редовне обрасце, али никад се није поновио исти статус два пута. Никада се две тачке у фазном простору не преклапају. Икад.
Контрадикција
Неколико је изненађујућих карактеристика закопано у овој непредвидивости и хаосу. Икад.
Ово је изгледало као очигледна контрадикција. Било је привлачења; тј. систем је имао предност скупа стања. Али исто се стање никад није поновило. Једини начин за описивање ове структуре је фрактал.
Ако погледате фазни простор Лорензовог једноставног временског система и зумирате мали део, видећете малу верзију потпуно истог фазног простора. А ако узмете мањи део тога и поново га зумирате, видећете ситнију верзију потпуно истог привлачења. И тако даље, у бесконачност. Ствари које изгледају исто што их ближе гледате су фрактални.
Дакле, временски систем има привлачност, али чудно је. Зато их дословно називају чудним привлачницима. И они се појављују не само у временским приликама већ у свим врстама хаотичних система.
Не разумемо у потпуности природу чудних привлачара, њихов значај или како их користити за рад са хаотичним и непредвидивим системима. Ово је релативно ново поље математике и науке, и још увек се трудимо да омотамо главу око тога. Могуће је да су ови хаотични системи у одређеном смислу детерминирани и предвидљиви. Али то тек треба да се утврди, па ћемо за сада само морати да се сложимо са нашом временском прогнозом.
- Како привремено отклонити Бескрајни хаос Универзума са хлороформом
- Знакови хаоса | Спаце Валлпапер
- Хот Цхаос | Спаце Валлпапер
Паул М. Суттер је астрофизичар у Државни универзитет у Охају, домаћин "Питајте свемира" и "Свемирски радио, "и аутор"Ваше место у универзуму."
Сазнајте више преслушавањем епизоде "Да ли је Универзум заиста предвидив?" у подкасту "Питај свемирског", доступан на иТунес-у и на веб локацији хттп://ввв.аскаспацеман.цом.
Хвала Царлос Т., Аканксха Б., @ТСФоундтаинворкс и Јоице С. на питањима која су довела до овог дела! Поставите своје питање на Твиттеру користећи #АскАСпацеман или пратећи Паул @ПаулМаттСуттер и фацебоок.цом/ПаулМаттСуттер.
