Teorie chaosu je demonstrována na tomto obrázku, který byl vytvořen s dlouhou expozicí světla na konci dvojitého kyvadla.
(Obrázek: © Wikimedia Commons / Cristian V.)
Bylo by opravdu příjemné znát předpověď počasí nejen týden předem, ale měsíc nebo dokonce rok do budoucna. Předpovídání počasí však přináší řadu složitých problémů, které nikdy nebudeme schopni zcela vyřešit. Důvod, proč není jen složitost - vědci pravidelně řeší složité problémy s lehkostí - je to mnohem podstatnější. Je to něco objevené v polovině 20. století: pravda, že žijeme v chaotickém vesmíru, který je v mnoha ohledech zcela nepředvídatelný. Ale hluboko uvnitř toho chaosu jsou překvapivé vzorce, které, pokud je dokážeme plně pochopit, mohou vést k hlubším odhalením.
Porozumění chaosu
Jedna z krásných věcí na fyzice je, že je deterministická. Pokud znáte všechny vlastnosti systému (kde „systém“ může znamenat cokoli od jedné částice v krabici po vzorce počasí na Zemi nebo dokonce vývoj vesmíru samotného) a znáte fyzikální zákony, pak můžete dokonale předpovídají budoucnost. Víš, jak se bude systém vyvíjet ze stavu do stavu, jak se časem pohybuje vpřed. To je determinismus. To umožňuje fyzikům předpovídat, jak se budou časem vyvíjet částice a počasí a celý vesmír.
Ukázalo se však, že příroda může být deterministická i nepředvídatelná. Nejprve jsme se o tom dozvěděli v 18. století, kdy švédský král nabídl cenu každému, kdo by mohl vyřešit takzvaný problém tří těl. Tento problém se zabývá předpovídáním pohybu podle zákonů Isaaca Newtona. Pokud dva objekty ve sluneční soustavě interagují pouze gravitací, pak Newtonovy zákony říkají přesně, jak se tyto dva objekty budou chovat dobře do budoucnosti. Pokud ale přidáte třetí tělo a necháte hrát také gravitační hru, pak neexistuje žádné řešení a nebudete schopni předpovídat budoucnost tohoto systému.
Cenu získal francouzský matematik Henri Poincaré (pravděpodobně supergenius), aniž by problém skutečně vyřešil. Místo toho, aby to vyřešil, napsal o problému a popsal všechny důvody, proč jej nelze vyřešit. Jedním z nejdůležitějších důvodů, které zdůraznil, bylo, jak malé rozdíly na začátku systému povedou k velkým rozdílům na konci.
Tato myšlenka byla z velké části položena k odpočinku a fyzici pokračovali, předpokládalic, že vesmír byl deterministický. To znamená, že to udělali až do poloviny 20. století, kdy matematik Edward Lorenz studoval jednoduchý model počasí Země na časném počítači. Když se zastavil a restartoval svou simulaci, skončil s divoce odlišnými výsledky, což by nemělo být věc. Vložil přesně stejné vstupy a řešil problém na počítači a počítače jsou opravdu dobré dělat tu samou věc znovu a znovu.
Nalezl překvapivou citlivost na počáteční podmínky. Jedna drobná chyba zaokrouhlování, ne více než 1 díl z milionu, by vedla k úplně odlišnému chování počasí v jeho modelu.
Lorenz v podstatě objevil chaos.
Klopýtání ve tmě
Toto je podpisový znak chaotického systému, jak poprvé identifikoval Poincaré. Normálně, když spustíte systém s velmi malými změnami v počátečních podmínkách, dostanete jen velmi malé změny ve výstupu. Ale to není případ počasí. Jedna drobná změna (např. Motýl mávající křídly v Jižní Americe) může vést k obrovskému rozdílu v počasí (jako je vytvoření nového hurikánu v Atlantiku).
Chaotické systémy jsou všude a ve skutečnosti dominují vesmíru. Přilepte kyvadlo na konec dalšího kyvadla a máte velmi jednoduchý, ale velmi chaotický systém. Poincaréův problém se třemi těly zmatený je chaotický systém. Populace druhů v čase je chaotický systém. Chaos je všude.
Tato citlivost na počáteční podmínky znamená, že u chaotických systémů je nemožné provádět pevné předpovědi, protože nikdy nemůžete přesně a přesně vědět, do nekonečné desetinné tečky stav systému. A pokud jste mimo nejmenší kousek, po dostatečném čase nebudete mít ponětí, co systém dělá.
Z tohoto důvodu je nemožné dokonale předpovědět počasí.
Tajemství fraktálů
V této nepředvídatelnosti a chaosu je pohřbeno několik překvapivých rysů. Objevují se většinou v tzv. Fázovém prostoru, mapě, která popisuje stav systému v různých časových okamžicích. Pokud znáte vlastnosti systému v konkrétním "snímku", můžete popsat bod ve fázovém prostoru.
Jak se systém vyvíjí a mění jeho stav a vlastnosti, můžete pořídit další snímek a popsat nový bod ve fázovém prostoru a postupem času vytvořit sbírku bodů. S dostatkem takových bodů můžete vidět, jak se systém choval v průběhu času.
Některé systémy vykazují vzorec zvaný atraktory. To znamená, že bez ohledu na to, kde systém spustíte, skončí tím, že se vyvine do konkrétního stavu, který je obzvláště oblíbený. Například bez ohledu na to, kam pustíte kouli do údolí, skončí na dně údolí. Toto dno je atraktorem tohoto systému.
Když se Lorenz podíval na fázový prostor svého jednoduchého modelu počasí, našel přitažlivého. Ale ten atraktor nevypadal jako nic, co bylo předtím vidět. Jeho povětrnostní systém měl pravidelné vzorce, ale stejný stav se nikdy neopakoval dvakrát. Žádné dva body ve fázovém prostoru se nikdy nepřekrývaly. Vůbec.
Rozpor
V této nepředvídatelnosti a chaosu je pohřbeno několik překvapivých rysů. Vůbec.
Vypadalo to jako zřejmý rozpor. Byl tam přitažlivý; tj. systém měl preferovanou sadu stavů. Stejný stav se však nikdy neopakoval. Jediným způsobem, jak popsat tuto strukturu, je fraktál.
Pokud se podíváte na fázový prostor jednoduchého meteorologického systému Lorenz a přiblížíte jej na malém kousku, uvidíte malou verzi přesně stejného fázového prostoru. A pokud si vezmete menší část a znovu se přiblížíte, uvidíte jemnější verzi stejného atraktoru. A tak dále a tak dále do nekonečna. Věci, které vypadají stejně, čím blíže se na ně díváte, jsou fraktály.
Takže meteorologický systém má atraktora, ale je to divné. To je důvod, proč se jim doslova říká podivné atraktory. A vynoří se nejen v počasí, ale ve všech druzích chaotických systémů.
Nerozumíme plně povaze podivných atraktorů, jejich významu nebo tomu, jak je použít k práci s chaotickými a nepředvídatelnými systémy. Toto je relativně nová oblast matematiky a vědy, a my se stále snažíme kolem ní ovinout hlavy. Je možné, že tyto chaotické systémy jsou v jistém smyslu deterministické a předvídatelné. Ale to ještě musíme přijít na to, takže prozatím se budeme muset spokojit s naší předpovědí počasí.
- Jak dočasně zrušit nekonečný chaos vesmíru pomocí chloroformu
- Známky chaosu Vesmírné tapety
- Hot Chaos | Vesmírné tapety
Paul M. Sutter je astrofyzik na Státní univerzita v Ohiu, hostitel „Zeptejte se Spacemana" a "Vesmírné rádio, „a autor“Vaše místo ve vesmíru."
Další informace získáte poslechem epizody "Je vesmír opravdu předvídatelný?" na podcastu „Zeptejte se Spacemana“, který je k dispozici na iTunes a na webu http://www.askaspaceman.com.
Děkuji Carlosovi T., Akankshovi B., @TSFoundtainworks a Joyce S. za otázky, které k tomuto dílu vedly! Zeptejte se na Twitteru pomocí #AskASpaceman nebo sledujte Paul @PaulMattSutter a facebook.com/PaulMattSutter.
