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混乱理论的工作原理

经过:威廉·哈里斯(William Harris)|

毕竟不太确定:动态不稳定性

到19世纪末,科学家变得有些自满。事实证明,牛顿的法律非常强大,每个人都认为他们可以解决在他们面前设定的任何身体问题。除了这个坚固的数学基础外,天文学家还增加了有关地球及其在太阳系及其他地区的地位的更多信息。1900年的天文图表将显示八个主要行星,每个行星在太阳周围的椭圆轨道上以及许多卫星,较大的小行星和少数彗星。同一图表可以提供明显的幅度,轨道速度,直径和距太阳的距离。换句话说,它包含利用牛顿方程并确定一个的所有信息地球的未来状态

1885年,瑞典和挪威的奥斯卡国王二世向任何能够证明太阳系稳定的人提供了奖品。这似乎是一个不必要的任务(毕竟,太阳系显然在1800年代之前已经有数百万年了),但是它已经滴定了科学家多年,至少它提供了一种能力来证明这种力量的手段古典力学。在奥斯卡国王的比赛之前,几位著名的数学家,包括莱昂哈德·埃勒(Leonhard Euhler),约瑟夫·路易斯·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange),甚至皮埃尔·西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)本人,都解决了问题。至少在短期模型中,一些设法提供了太阳系稳定性的证据。但是,没有人能够确切地说,这八个行星将一直在一个有限的空间区域中持续存在。

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进入亨利·庞加莱(HenriPoincaré),这是一位在比赛之前以创新思维而闻名的法国数学家,引起了他的注意。Poincaré并没有同时专注于所有行星和太阳,而是决定将他的分析限制在一个较小,更简单的系统中 - 两个庞大的身体在他们的共同的重心周围互相绕着旋转,而一个小得多的身体则旋转着它们。这被称为n体问题,它使用复杂的数学来预测一组在重力相互作用的天体对象的运动。该数学通常涉及微分方程 - 将系统变化速率作为其当前状态的函数的方程式。但是,当庞加莱试图用简化的微积分来描述当前身体的状态时,他发现,例如,随着时间的流逝,小的不确定(例如,绕行一个星球的质量)变得随着时间的流逝而增长,并以惊人的速度放大了。即使他在最初的条件下缩小了越来越小的值的不确定性,计算仍然“炸毁”,在最终预测中产生了巨大的不确定性。他得出的结论是,无法预测太阳系的未来结果,因为该系统本身太复杂了,充满了太多的变量,这些变量永远无法以绝对的精度来衡量。

在他的工作中,庞加莱赢得了比赛。但是他真正的成就是发现一种被称为动态不稳定或混乱的东西。它在很大程度上没有被忽视了70年,直到马萨诸塞州理工学院(MIT)的一名气象学家试图使用计算机来改善天气预报。

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