Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 混沌理论的应用
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon Jun 23 18:39:42 2003)

发信站: 空间科学BBS站  

    科学在传统上看重秩序，但我们正开始认识到混沌能给科学
带来独特的好处。混沌更容易对外部刺激作出快速反应。设想一
下等待接发球的网球运动员。他们站着不动吗? 他们有规则地从
一边移向另一边吗? 当然不。他们双脚零乱地蹦跳。部分原因在
于扰乱其对手；但同时也准备对任何发过来的球作出反应。为了能
够向任何特定方向快速运动，他们在许多不同方向上作出快速运
动。混沌系统与非混沌系统相比较，前者轻而易举地就能非常快地
对外部事件作出反应。这对工程控制问题来说很重要。例如，我们
现在知道某类湍流由混沌造成—  混沌正是使湍流混乱不堪的元
凶。我们也许可以证明，通过建立对破坏任何小区域的原发湍流作
出极快反应的控制机制，使擦过飞机表面的气流不致太湍乱，从而
减小运动阻力，这种情况是可能的。活的生物为了对变化的环境作
出快速反应，也必须呈现混沌行为。

    这一思想已被一群数学家和物理学家，其中包括威廉·迪托
(William Ditto)、艾伦·加芬科(Alan Garfinkel)和吉姆·约克
(Jim Yorke)，变成了一项非常有用的实用技术，他们称之为混沌
控制。实质上，这一思想就是使蝴蝶效应为你所用。初始条件的小
变化产生随后行为的大变化，这可以是一个优点；你必须做的一
切，是确保得到你想要的大变化。对混沌动力学如何运作的认识，
使我们有可能设计出能完全实现这一要求的控制方案。这个方法
已取得若干成功。混沌控制的最早成就之一，是仅用卫星上遗留的
极少量肼使一颗“死”卫星改变轨道，而与一颗小行星相碰撞。美国
国家航空与航天管理局操纵这颗卫星围绕月球旋转5圈，每一圈
用射出的少许肼将卫星轻推一下，最后实现碰撞。

    这一数学思想已被用来控制湍乱流体中的一条磁性条带——
控制流经潜水艇或飞机的湍流的一个原型；控制使胡乱跳动的心
脏恢复有规则的节律，这预示着智能起搏器的发明；用来建立和防
止脑组织中电活动的节律波，这又开辟了预防癫痫发作的新途径。

    混沌已是一个迅速发展的行业。每一个星期都有有关混沌的
数学基础的新发现、混沌对我们认识自然界的新应用，或有关应用
混吨产生的新技术的报导，包括混沌洗碟机(日本人发明用两条混沌
旋转的转臂使碟子洁净的节能机器)和英国人发明的用混沌理
论进行数据分析从而改进矿泉水生产中的质量管理的机器。

    然而，还有更多的东西有待研究。或许混沌最终悬而末决的问
题是奇异的量子世界，幸运女神主宰那里的一切。放射性原子“随
机地”衰变，它们唯一的规律是统计规律。大量放射性原子虽有明
确的“半衰期”  一段半数原子将衰变的时间，但我们不能预言
哪一半原子即将衰变。前面提到的爱因斯坦的断言，就是针对这一
问题的。在将不衰变的放射性原子与将要衰变的放射性原子之间，
确实根本不存在任何差别吗? 原子怎么知道该干什么?

    量子力学的表观随机性可能骗人吗? 它确实是确定性混沌吗?
设想原于是宇宙流体的某种振动液滴。放射性原子很有力地振动，
并且较小的液滴时常会分裂——衰变。这振动快得我们无法对它
们进行细致测量，我们只能测量平均量(如能级)。现在，经典力学
告诉我们，一滴真实流体会混油地振动。当它振动时，其运动是确
定性的，但不可预言。许多振动不约而同“随意地”分裂微小的液
滴。蝴蝶效应使得不可能预言何时液滴将分裂，但这事件具有精确
的统计特征，包括明确的“半衰期”。

    放射性原子表观随机衰变可能是某种在微观尺度上的类似
物? 为什么终归存在统计规律? 统计规律是内在确定性的外显，抑
或会来自别的什么地方? 遗憾的是，尚没有人使这诱人的思想产生
结果——尽管它在精神上类似于时髦的超弦理论，在超弦理论中，
亚原于粒子是一种人为的振动着的多维环。在这里主要的类似特
滴。蝴蝶效应使得不可能预言何时液滴将分裂，但这事件具有精确
的统计特征，包括明确的“半衰期”。

    放射性原子表观随机衰变可能是某种在微观尺度上的类似
物? 为什么终归存在统计规律? 统计规律是内在确定性的外显，抑
或会来自别的什么地方? 遗憾的是，尚没有人使这诱人的思想产生
结果——尽管它在精神上类似于时髦的超弦理论，在超弦理论中，
亚原于粒子是一种人为的振动着的多维环。在这里主要的类似特
征是，振动环与振动液滴都将新的“内部变量”引入其物理学图景
中，而显著的区别在于它们处理量子不确定性的方式。超弦理论同
传统量子力学一样，把这种不确定性视为真正的随机。然而，在一
个像液滴这样的系统里，表观不确定性实际上是由确定性的(但是
混沌的)原动力所产生。诀窍——如果只有我们知道如何来操作的
话—  也许在于：发明某种维持超弦理论成功特征的结构，同时造
就几个行为混沌的内部变量。它可能是使上帝的骰子变得确定，并
使爱因斯坦在天之灵欣慰的一条动人途径。

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