蝴蝶效應真實存在嗎?更令人困惑的是量子蝴蝶效應
2019年09月17日11:30

  9月17日消息,據國外媒體報導,2004年荷李活男星阿什頓·庫奇主演的《蝴蝶效應》是一部好電影嗎?人類會認為蝴蝶效應具有神奇效果,小規模的事件可以產生巨大、不可預見的後果,甚至導致戰爭、核災難等……

  事實上,蝴蝶效應僅是一個氣象術語,源於半個世紀前,它實際是什麼——其真實概念、是否仍能適用、或者顯失效應,對於多數人而言是很難理解的,目前gizmodo網站Giz專欄採訪了多位物理學家、大氣科學家和心理學家,分析蝴蝶效應的真實作用及意義。

  戴爾·杜蘭

  美國華盛頓大學大氣科學系教授兼系主任

  研究包括大氣層的可預測性

  “蝴蝶效應是真實存在的,從某種意義上講,小規模的微小變化可以永遠改變天氣,但蝴蝶能否對天氣產生任何有意義的變化值得商榷。”

  蝴蝶效應是由愛德華·洛倫茲在大氣可預測性的背景下提出的,實際上,他在研究報告中提出海鷗的翅膀,而不是蝴蝶的翅膀,可產生巨大、不可預見的後果,蝴蝶效應是由菲爾·梅里萊斯博士提出的,該術語被洛倫茲在談話中引用,並在1969年發表的研究報告中以蝴蝶效應作為標題。

  蝴蝶效應是真實存在的,從某種意義上講,小規模的微小變化可以永遠改變天氣,但蝴蝶能否對天氣產生任何有意義的變化值得商榷,蝴蝶效應能或多或少地抓住人們的想像力,雖然它不是一個完美的例子,但它是一個例證。

  問題是蝴蝶太小,無法真正改變任何事情,但是對於更大一些的事物,例如:飛機或者積雲,積雲會對任何地方的氣候產生影響,其存在與否可以改變雲層周圍的大氣循環,當積雲發生變化時,將輕微改變較大範圍的大氣循環,之後再改變更大範圍的大氣循環。

  對於蝴蝶效應而言,非常小的不確定性對更大區域的天氣也使得幾乎相同的氣候特徵隨時間而發生變化,但對於更大的區域(例如直徑168公里的範圍內)的不確定因素將完全覆蓋蝴蝶效應產生的任何影響。

  布萊恩·斯溫格爾

  馬里蘭大學物理學助理教授

  研究量子信息物理學

  “更令人困惑的現像是量子蝴蝶效應,它出現在將混沌和量子世界怪異物理特徵結合在一起系統中。”

  蝴蝶效應是真實存在的:如果你使用一個混沌系統分別進行起點略有不同的兩項實驗,你將會觀察到兩項實驗結果產生的差異,會隨著時間快速增長。從數學角度來講,隨著時間的推移,兩項實驗的差異將成倍地增大,直到差異變得很大為止。

  更令人困惑的現像是量子蝴蝶效應,它出現在混沌和量子世界的怪異物理特徵結合在一起的系統中,對於這種類型的系統,存在量子混沌概念,但準確地衡量量子蝴蝶效應,仍是一個正在進行的研究課題。

  在某些情況下,我們可以確定一種實驗性可檢測屬性,在典型的蝴蝶效應中,預計其差異性可重複增倍,但我們還不知道這對於普通的量子混沌系統是否有意義。

  試圖研究這一物理屬性的實驗也非常有趣,它們通常涉及到原子和光子的特殊集合體,這些原子和光子經過設計後是高度可控的,並且與外部世界相隔離,實驗人員試圖在特定時間之前和之後運行該系統的動力,就像倒回和快進電影一樣。

  如果我們快進,然後立即倒回,我們將回到最初開始的位置,但如果我們快進,在倒回之前做一個較小的改變,那麼在一個混沌系統中我們將很快在一個差別很大的位置終結,而不是最初位置。

  大衛•平卡斯

  查普曼大學臨床心理學教授

  研究與人類心理學相關的混沌理論和蝴蝶效應

  “如果你觀察呈現蝴蝶效應的系統,會發現它們是混沌無序的,將產生分形圖案,如果你有10000個數據點,就可以看到分形圖案隨時間是如何變化的,這也就是我們所說的軌跡。”

  蝴蝶效應是真實的嗎?是的,這是自信觀點的答案,之後你可以探索這個問題,什麼是真實的蝴蝶效應?這就是樂趣所在。

  蝴蝶效應最早可能是由龐加萊在20世紀初“發現”的,他試圖從天體物理學角度揭曉3個相互作用的天體問題,如果你在空間中與兩種物體產生引力和交互作用,對其建模就相對簡單:它們彼此相互影響效果,但是當空間中與3種物體產生引力和交互作用時,就很難進行建模。

  如果你將3個網球綁在一起,然後擺動上面的繩子,下面綁在一起的網球就會無序碰撞,最底部的網球運動呈現出蝴蝶效應——意味著該現象不是隨機的,但也不是可預測的,如果你在某個時間點做了較小的改變,一個很小的改變,網球在未來某個時間點的位置也會完全不同。

  一個明顯的實例是:分形幾何,分形幾何是一種自相似類型的分支結構,在自然界中隨處可見,例如:樹木和神經元等,如果你觀察呈現蝴蝶效應的系統,會發現它們是混沌無序的,將產生分形圖案,如果你有10000個數據點,就可以看到分形圖案隨時間是如何變化的,這也就是我們所說的軌跡。

  在複雜的系統中,會存在大量的組件,它們彼此以複雜的方式交互作用,並產生相干輸出,例如:就像樹木、神經元、海洋中的波浪,以及自然界無數不同事物的生長,這些都傾向於產生分形圖案。

  今年1月,我剛發表了一項研究報告,我測量了人格特徵,併發現了一個分形結構,事實證明,人們可以採用相同的方法測量人格特徵,某人身體更健康、承壓能力更強時,他的人格結構就會更具分支化,結構更豐滿、剛性更低。

  我在德國有一個同事名叫甘特·徹恩泰克,從我的觀點來看,他是將混沌理論應用到心理學領域最多的人,他致力於通過心理治療過程來尋找蝴蝶效應,他建立了一個數學模型(據我所知是世界唯一的心理學蝴蝶效應模型),適用於心理治療期間的性格變化,當運行這個模型時,就會產生蝴蝶效應,意味著心理治療中的微小變化會在未來的時間里產生截然不同的結果。

  徹恩泰克的數學模型證明了蝴蝶效應可能體現在人類心理特徵隨時間而發生變化,實際上他一直在跟蹤客戶的相關數據,結果表明數據與他的模型非常匹配,所以蝴蝶效應不僅在數學領域是真實存在的,在很多不同的科學領域也是如此,可以體現在人類心理變化和成長過程。

  道格拉斯·斯坦福

  美國斯坦福大學理論物理研究所副教授

  主要研究量子引力、量子場論和弦理論

  “在關於時間機器的小說中,蝴蝶效應是真實存在的。”

  蝴蝶效應是真實存在的,但是很難被發現,為了讓它更加引人注目,我們可以想像一個時間機器的實驗,你可以通過時間機器返回到過去,改變一件看似無關緊要的小事,例如:改變一個原子的位置,然後你通過時間機器回到現今,此時你會發現許多事物都發現較大改變,以一種隨機的方式。

  這基本上就是1952年短篇小說《雷聲》的故事情節,作者雷·布拉德伯里講述的故事情節與蝴蝶效應十分相似,但他低估了對現今事物重新排序產生的影響,概測法表明,過去很容易預測的現今事物不會發生改變,但似乎難以預測的事物會差別很大。

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