Teorija kaosa je prikazana na tej sliki, ki je nastala z dolgo izpostavljenostjo svetlobe na koncu dvojnega nihala.
(Slika: © Wikimedia Commons / Cristian V.)
Bilo bi res lepo vedeti vremensko napoved ne le teden vnaprej, ampak mesec ali celo leto v prihodnost. Toda napovedovanje vremena predstavlja številne težavne težave, ki jih nikoli ne bomo mogli v celoti rešiti. Razlog, zakaj ne gre samo za zapletenost - znanstveniki redno reševajo zapletene težave z lahkoto - je nekaj veliko bolj temeljnega. To je nekaj odkrite sredi 20. stoletja: resnica, da živimo v kaotičnem vesolju, ki je v marsičem povsem nepredvidljivo. Toda skriti globoko v tem kaosu so presenetljivi vzorci, vzorci, ki jih, če jih bomo kdaj sposobni popolnoma razumeti, lahko privedejo do globljih razodetja.
Razumevanje kaosa
Ena izmed lepih stvari v zvezi s fiziko je, da je deterministična. Če poznate vse lastnosti sistema (kjer "sistem" lahko pomeni karkoli, od enega samega delca v škatli do vremenskih vzorcev na Zemlji ali celo evolucije samega vesolja) in poznate zakone fizike, potem lahko odlično napovedujejo prihodnost. Veste, kako se bo sistem razvijal od države do države, ko čas napreduje. To je determinizem. To fizikom omogoča, da napovedujejo, kako se bodo delci in vreme ter celotno vesolje razvijali skozi čas.
Vendar se izkaže, da je narava lahko tako determinirana kot nepredvidljiva. Namigi o tej poti smo prvič dobili v 1800-ih, ko je švedski kralj ponudil nagrado vsem, ki bi lahko rešili tako imenovano težavo s tremi telesi. Ta težava se nanaša na napovedovanje gibanja v skladu z zakoni Isaaca Newtona. Če dva predmeta v osončju delujeta samo s pomočjo gravitacije, potem Newtonovi zakoni natančno povedo, kako se bosta ta dva predmeta dobro obnašala v prihodnosti. Če pa dodate še tretje telo in pustite, da igra tudi gravitacijsko igro, potem ni rešitve in ne boste mogli predvideti prihodnosti tega sistema.
Francoski matematik Henri Poincaré (verjetno supergenij) je dobil nagrado, ne da bi v resnici rešil težavo. Namesto da bi ga rešil, je pisal o težavi in opisal vse razloge, zakaj je ni bilo mogoče rešiti. Eden najpomembnejših razlogov, ki jih je izpostavil, je bil, kako majhne razlike na začetku sistema vodijo do velikih razlik na koncu.
Ta ideja je bila v veliki meri umirjena in fiziki so nadaljevali, ob predpostavki, da je vesolje determinirano. Se pravi, to so storili do sredine 20. stoletja, ko je matematik Edward Lorenz na zgodnjem računalniku preučeval preprost model Zemljinega vremena. Ko se je ustavil in znova zagnal simulacijo, je na koncu dosegel divje drugačne rezultate, kar ne bi smelo biti stvar. Vnašal je povsem enake vložke in težavo je reševal v računalniku, računalniki pa so res dobri, če delajo popolnoma isto stvar znova in znova.
Našel je presenetljivo občutljivost na začetne pogoje. Ena drobna napaka v zaokrožitvi, ki ne presega 1 milijona, bi pri njegovem modelu povzročila povsem drugačno vedenje vremena.
Lorenz je v bistvu odkril kaos.
Spotikanje v temi
To je znak podpisa kaotičnega sistema, kot ga je prvi identificiral Poincaré. Običajno ko zaženete sistem z zelo majhnimi spremembami začetnih pogojev, dobite le zelo majhne spremembe v izhodu. Vendar to z vremenom ni tako. Ena drobna sprememba (npr. Metulj, ki maha s krili v Južni Ameriki) lahko privede do velike razlike v vremenu (kot je nastanek novega orkana v Atlantiku).
Kaotični sistemi so povsod in dejansko prevladujejo v vesolju. Nihalo nalepite na konec drugega nihala in imate zelo preprost, a zelo kaotičen sistem. Težava s tremi telesi, ki jo je Poincaré zagovarjal, je kaotičen sistem. Populacija vrst skozi čas je kaotičen sistem. Kaos je povsod.
Ta občutljivost za začetne pogoje pomeni, da s kaotičnimi sistemi nemogoče daš trdne napovedi, saj nikoli ne moreš natančno vedeti, do neskončne decimalne točke je stanje sistema. In če se premaknete tudi na najmanjši delček, po dovolj časa ne boste imeli pojma, kaj sistem počne.
Zato je nemogoče popolnoma napovedati vreme.
Skrivnosti fraktalov
V tej nepredvidljivosti in kaosu je pokopan več presenetljivih lastnosti. Pojavljajo se večinoma v nečem, imenovanem fazni prostor, zemljevidu, ki opisuje stanje sistema v različnih časovnih točkah. Če poznate lastnosti sistema na določenem "posnetku", lahko opišete točko v faznem prostoru.
Ko se sistem razvija in spreminja svoje stanje in lastnosti, lahko posnamete še en posnetek in opišete novo točko v faznem prostoru in sčasoma sestavite zbirko točk. Z dovolj takšnih točk lahko vidite, kako se je sistem obnašal skozi čas.
Nekateri sistemi imajo vzorec, imenovan privlačniki. To pomeni, da se ne glede na to, kje zaženete sistem, se razvije v posebno stanje, ki mu je še posebej všeč. Na primer, ne glede na to, kje v dolino spustite žogo, se bo končala na dnu doline. To dno je privlačnost tega sistema.
Ko je Lorenz pogledal fazni prostor svojega preprostega vremenskega modela, je našel atraktor. Toda ta privlačnik ni bil videti ničesar, kar smo videli že prej. Njegov vremenski sistem je imel redne vzorce, vendar se isto stanje nikoli ni ponovilo dvakrat. V faznem prostoru se dve točki nikoli ne prekrivata. Vedno.
Protislovje
V tej nepredvidljivosti in kaosu je pokopan več presenetljivih lastnosti. Vedno.
To se je zdelo očitno nasprotje. Tam je bil privlačnik; sistem je imel prednost pred naborom stanj. Toda isto stanje se ni nikoli ponovilo. Edini način za opis te strukture je fraktal.
Če pogledate fazni prostor Lorenzovega enostavnega vremenskega sistema in povečate majhen delček, boste videli drobno različico popolnoma istega faznega prostora. In če vzamete manjši del tega in znova povečate, boste videli tanjšo različico popolnoma istega privlačnika. In tako naprej in tako naprej v neskončnost. Stvari, ki izgledajo enako, kolikor jih bolj pogledaš, so fraktalci.
Torej vremenski sistem ima atraktor, vendar je čudno. Zato jih dobesedno imenujejo čudni privlačniki. In se pojavljajo ne le v vremenu, ampak v vseh vrstah kaotičnih sistemov.
Ne razumemo popolnoma narave nenavadnih privlačnic, njihovega pomena ali kako jih uporabiti za delo s kaotičnimi in nepredvidljivimi sistemi. To je sorazmerno novo področje matematike in naravoslovja in še vedno se trudimo, da bi se okoli tega ovijali. Mogoče je, da so ti kaotični sistemi na nek način determinirani in predvidljivi. Toda to še ni treba ugotoviti, zato se bomo za zdaj le morali dogovoriti za našo vremensko napoved.
- Kako začasno razveljaviti neskončni kaos vesolja s kloroformom
- Znaki kaosa | Vesoljsko ozadje
- Vroči kaos | Vesoljsko ozadje
Paul M. Sutter je astrofizik pri Državna univerza Ohio, gostitelj "Vprašajte vesoljca" in "Vesoljski radio, "in avtor"Vaše mesto v vesolju."
Preberite več o poslušanju epizode "Ali je vesolje res predvidljivo?" v podkastu "Vprašaj vesoljca", ki je na voljo v iTunesu in na spletu na naslovu http://www.askaspaceman.com.
Hvala Carlosom T., Akanksho B., @TSFoundtainworks in Joyce S. za vprašanja, ki so vodila do tega dela! Zastavite svoje vprašanje na Twitterju s pomočjo #AskASpaceman ali tako, da sledite Paulu @PaulMattSutter in facebook.com/PaulMattSutter.
