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如何理解混沌是确定系统随机行为

来源:网络 作者:佚名 时间:03-27 手机版

混沌现象是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动,一个确定性理论描述的系统,其行为却表现为不确定性一不可重复、不可预测。混沌是指确定的宏观的非线性系统在一定条件下所呈现的不确定的或不可预测的随机现象;是确定性与不确定性或规则性与非规则性或有序性与无序性融为一体的现象。

请问混沌是什么意思啊?

分类: 人文学科 >> 中国文学
解析:

混沌是决定论系统所表现的随机行为的总称。它的根源在于非线性的相互作用。

所谓"决定论系统"是指描述该系统的数学模型是不包含任何随机因素的完全确定的方程。

自然界中最常见的运动形态往往既不是完全确定的,也不是完全随机的,关于混沌现象的理论,为我们更好地理解自然界提供了一个框架。

混沌的数学定义有很多种。例如,正的"拓扑熵"定义拓扑混沌;有限长的"转动区间"定义转动混沌等等。这些定义都有严格的数学理论和实际的计算方法。不过,要把某个数学模型或实验现象明白无误地纳入某种混沌定义并不容易。因此,一般可使用下面的混沌工作定义。
若所处理的动力学过程是确定的,不包含任何外加的随机因素;单个轨道表现出像是随机的对初值细微变化极为敏感的行为,同时一些整体性的经长时间平均或对大量轨道平均所得到的特征量又对初值变化并不敏感;加之上述状态又是经过动力学行为和一系列突变而达到的。那么,你所研究的现象极有可能是混沌。

怎么理解科学术语中的混沌这一概念?

混沌(chaos)是指确定性动力学系统因对初值敏感而表现出的不可预测的、类似随机性的运动。又称浑沌。英语词Chaos源于希腊语,原始 含义是宇宙初开之前的景象,基本含义主要指混乱、无序的状态。作为科学术语,混沌一词特指一种运动形态。动力学系统的确定性是一个数学概念,指系统在任一时刻的状态被初始状态所决定。虽然根据运动的初始状态数据和运动规律能推算出任一未来时刻的运动状态,但由于初始数据的测定不可能完全精确,预测的结果必然出现误差,甚至不可预测。运动的可预测性是一个物理概念。一个运动即使是确定性的,也仍可为不可预测的,二者并不矛盾。

牛顿力学的成功,特别是它在预言海王星上的成功,在一定程度上产生误解,把确定性和可预测性等同起来,以为确定性运动一定是可预测的。20世纪70年代后的研究表明,大量非线性系统中尽管系统是确定性的,却普遍存在着对运动状态初始值极为敏感、貌似随机的不可预测的运动状态——混沌运动。混沌是指现实世界中存在的一种貌似无规律的复杂运动形态。共同特征是原来遵循简单物理规律的有序运动形态,在某种条件下突然偏离预期的规律性而变成了无序的形态。混沌可在相当广泛的一些确定性动力学系统中发生。混沌在统计特性上类似于随机过程,被认为是确定性系统中的一种内禀随机性。

混沌在物理中的概念是什么?

混沌现象:
是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动,一个确定性理论描述的系统,其行为却表现为不确定性一不可重复、不可预测,这就是混沌现象.进一步研究表明,混沌是非线性动力系统的固有特性,是非线性系统普遍存在的现象.牛顿确定性理论能够充分处理的多为线性系统,而线性系统大多是由非线性系统简化来的.因此,在现实生活和实际工程技术问题中,混沌是无处不在的.
“ 混沌”是近代非常引人注目的热点研究,它掀起了继相对论和量子力学以来基础科学的第三次革命.科学中的混沌概念不同于古典哲学和日常语言中的理解,简单地说,混沌是一种确定系统中出现的无规则的运动.混沌理论所研究的是非线性动力学混沌,目的是要揭示貌似随机的现象背后可能隐藏的简单规律,以求发现一大类复杂问题普遍遵循的共同规律.
新概念物理上也有说明,是微小改变引起巨大反差的现象.

什么是混沌现象?

不知你注意过没有,水滴有时会很有规律地从水龙头滴下,连续滴水的时间间隔几乎相同。有失眠者因老想着下一滴水什么时候会滴下而心烦意乱,不能入睡。但如果水流速度较高,则水滴虽然仍一滴滴分开落下,其滴嗒方式却始终不重复,就像一个有无限创造力的鼓手能敲出花样无穷的鼓声。

对这两种截然不同的滴水方式,美国加利福尼亚大学的科学家R·S·斯霍等慧眼独具,发现它与一种比较普遍的科学现象——混沌现象紧密相关。

所谓混沌,是一种极端的无序。美国麻省理工学院的E·N·洛伦兹在20世纪70年代发现的混沌性表明,只有几个因素的简单确定性系统也会产生随机性的行为,这种随机性是一种极本质的性质,搜集更多的信息,并不能使其归于消失。如上述的两种滴水方式,一种滴水时间间隔具有周期性,另一种则是随机性的,主要就取决于水流的速度,而水流速度是固定的,即具有确定规则。

随机性即系统行为的不可预测性。投掷一枚钱币,你无法预测它会出现正面还是反面;天空中飘飞的气球,摇摇晃晃,四处乱窜,不知在什么时候什么地方会突然转弯,无法预见其飞行路径。设想你正在山溪旁悠闲自在地欣赏潺潺清流,溪水忽左忽右,似有灵性,与你嬉戏玩闹捉迷藏,满溪乱窜,卷起一个个漩涡,不时把水花溅到你身上,你无法预见漩涡将在何时何地产生。布朗运动是物理学中随机性的一个典型例子。在显微镜下观察液体中的一颗尘粒,可以看到它在作不间断的无规则运动,忽左忽右,忽前忽后,运动趋势无法预见,更不能预见其运动轨迹。布朗运动是尘粒周围处于热运动的数目巨大的水分子不断碰撞尘粒的结果。

如上所述,既然混沌是由某些本身丝毫不带随机性的固定规则所产生的,它应具有确定性,这(与混沌的极端无序不可预测比较)似乎是自相矛盾的。其实,混沌系统的行为在短时间内是可预测的,但由于混沌系统对外界干扰(即使是微小的干扰)的响应非常强烈,时间一长就无法预测了。为了理解上述佯谬,可以设想做这样一个小实验。将一滴蓝色的食品着色剂放入一面团中,然后擀揉。擀揉操作分两个步骤进行,首先是将面团擀平(这时着色剂就扩散开来),然后把它折叠过来。起始这滴着色剂只是被延长,但最终它将发生折叠,经过相当长一段时间后,着色剂就被拉伸和折叠好多次,面团中出现很多蓝色与白色交替出现的层。只需这样操作二十次,最初液滴的长度就会被拉长一百万倍以上,厚度会减小到分子水平(10-10米),这时蓝色颜料已与面团充分混合了。混沌的原理也大致如此。

混沌现象比较普遍。如在天气变化、流体运动、生物进化等过程中都可以找到。由于混沌系统行为的随机性,如上所述,不可能预测系统的长期行为。但由于系统行为又是由某些确定性的因素及其规则决定的,因此又有可能在一定时间内预测。科学家希望通过对混沌现象的深入研究,较好地解决一些科学上的有关问题。如高能粒子加速器中的束流损失、束控热核反应装置中磁约束的泄漏、核电站循环水系统可能发生的有害回流、天气预报、人类生男生女的选择等,都与混沌现象有关。

人类对混沌现象的认识还刚入门,由于滴水龙头系统易于控制,且变量少,有些科学家希望通过研究它来探索混沌现象的本质和起源。

如何解释混沌?

先按照道家的说法来介绍混沌。
《庄子·应帝王》篇的最后说了这么一个搞笑的故事:南海的天帝叫倏,北海的天帝叫忽,中央的天帝就是混沌。倏和忽两个老不修经常去混沌那里蹭饭,估计吃不了时还兜着走。好客的混沌每次都非常殷勤地招待他们。这使倏和忽非常感动。有一天,倏和忽在混沌家里吃饱喝足,无所事事,于是就商量道:“人都有七窍,所以能享受声色之娱,酒肉之欢。混沌人那么好,可惜一窍也没有,什么乐趣也体会不了,实在可怜。不如我们帮帮他,试着给它凿出七窍来。这样混沌就可以和我们一样快活了。”决定好之后,倏和忽便找来工具,一天在混沌身上凿出一窍,七天就把七窍凿好了。倏和忽刚想庆贺,却发现混沌居然给凿得歇菜了。
这个故事是道家的寓言,当是想说明道法自然,无为而治的道理,以混沌之死来说明强行治之的害处。从另一方面讲,“混沌”就是“天地之始”,也就是道家的至上“无”;混沌凿开之后,才有“万物之母”的“有”,一切就孕育而生了。
道家的说法有其玄妙之处,也不是每个人都喜欢。现在再说关于混沌传说最流行的版本,即《山海经》中的介绍。
《山海经·西次三经》上说,在西方的天上,有一只神鸟,耳目口鼻都没有,看上去像是一个鼓起来的黄布口袋。他有六只脚四只翅膀,红得像熊熊燃烧的火焰。虽然他没有五官,但精通歌舞,是西方的天王巨星,名字叫做“帝江”。在古音中,“江”和“鸿”相同,所以,“帝江”便是“帝鸿”。贾逵曾解释,帝鸿就是黄帝。黄帝本就是五帝中的中央天帝,这一点倒和《庄子》中混沌为中央天帝相一致了。
相传黄帝他妈附宝看到北极光后有了身孕,生下了黄帝。附宝生下的孩子自然是人形,于是就有了混沌神帝江是轩辕黄帝前世兽身的说法。也就是说,轩辕黄帝是开天辟地之前的混沌神,本就先天地而存在,所以后来投胎为人形,掌管天地。
在关于“混沌”的传说中,黄帝即混沌是主流看法,但还有一种说法,认为“混沌”是黄帝的一个不成器的儿子,是传说中的“四大凶兽”之一。这种说法,主要来自《左传》和《史记》。
《史记·五帝本纪》上说:“昔帝鸿氏有不才子,掩义隐贼,好行凶慝,天下谓之浑沌。少皞氏有不才子,毁信恶忠,崇饰恶言,天下谓之穷奇。颛顼氏有不才子,不可教训,不知话言,天下谓之梼杌。……缙云氏有不才子,贪于饮食,冒于货贿,天下谓之饕餮。”据说,混沌是驩兜死后怨气所化,穷奇是共公死后怨气所化,梼杌是鲧死后的怨气所化,饕餮是三苗死后的怨气所化,所以此四子都不是好东西。
《神异经》上还这样描写身为凶兽的混沌:说它是只既像狗又像熊的野兽,有眼睛却看不见,有耳朵却听不着。虽然他行动不便,但却知道别人的行踪。遇到有德之人,他就去撞人家,遇到凶恶之人,它却摇头摆尾地当跟屁虫。没事儿的时候,这家伙就老追着自己的尾巴咬,咬到了就对着天哈哈大笑,整个一大傻冒。
这些关于混沌深的负面记载,几乎都流传不广。所以,主流传说中的混沌神帝江还是善良的乐天的圣兽,它先天地而生,后转世为黄帝,创造了华夏文明。

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