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量子蝴蝶效应令人困惑

2019-08-07 09:36:43  来源:新浪科技

北京时间8月7日消息,据国外媒体报道,2004年好莱坞电影《蝴蝶效应》是一部非常有意思的电影,人类认为蝴蝶效应具有神奇的效果,小规模的事件可以产生巨大、不可预见的后果,甚至导致战争、核灾难等……

事实上,蝴蝶效应仅是一个气象术语,源于半个世纪前,它实际是什么对于多数人是很难理解的,我们来看看物理学家、大气科学家和心理学家,他们如何分析蝴蝶效应的真实作用及意义。

戴尔·杜兰

美国华盛顿大学大气科学系教授兼系主任

研究包括大气层的可预测性

※※“蝴蝶效应是真实存在的,从某种意义上讲,小规模的微小变化可以永远改变天气,但蝴蝶能否对天气产生任何有意义的变化值得商榷。”

蝴蝶效应是在可预测性的背景下提出的,实际上,最初的研究报告中提出的是海鸥翅膀,而不是蝴蝶翅膀,可产生巨大、不可预见的后果,蝴蝶效应是由菲尔·梅里莱斯博士提出的,该术语被爱德华·洛伦兹在谈话中引用,并在1969年发表的研究报告中以蝴蝶效应作为标题。

蝴蝶效应是真实存在的,从某种意义上讲,小规模的微小变化可以永远改变天气,但蝴蝶能否对天气产生任何有意义的变化值得商榷,蝴蝶效应能或多或少地抓住人们的想象力,虽然它不是一个完美的例子,但它是一个例证。

问题是蝴蝶太小,无法真正改变任何事情,但一些更大的事物可以,例如:飞机或者积云。积云会对任何地方的气候产生影响,其存在与否可以改变云层周围的大气循环,当积云发生变化时,将轻微改变较大范围的大气循环,之后再改变更大范围的大气循环。

对于蝴蝶效应而言,非常小的不确定性对更大区域的天气也使得几乎相同的气候特征随时间而发生变化,但对于更大的区域的不确定因素将完全覆盖蝴蝶效应产生的任何影响。

布莱恩·斯温格尔

马里兰大学物理学助理教授

研究量子信息物理学

※※“更令人困惑的现象是量子蝴蝶效应,它出现在将混沌和量子世界怪异物理特征结合一起的系统中。”

蝴蝶效应是真实存在的:如果你使用一个混沌系统分别进行起点略有不同的两项实验,你将会观察到两项实验结果产生的差异,会随着时间快速增长。从数学角度来讲,随着时间的推移,两项实验的差异将成倍地增大,直到差异变得很大为止。

更令人困惑的现象是量子蝴蝶效应,它出现在混沌和量子世界的怪异物理特征结合在一起的系统中,对于这种类型的系统,存在量子混沌概念,但准确地衡量量子蝴蝶效应,仍是一个正在进行的研究课题。

在某些情况下,我们可以确定一种实验性可检测属性,在典型的蝴蝶效应中,预计其差异性可重复增倍,但我们还不知道这对于普通的量子混沌系统是否有意义。

试图研究这一物理属性的实验也非常有趣,它们通常涉及到原子和光子的特殊集合体,这些原子和光子经过设计后是高度可控的,并且与外部世界相隔离,实验人员试图在特定时间之前和之后运行该系统的动力,就像倒回和快进电影一样。

如果我们快进,然后立即倒回,我们将回到最初开始的位置,但如果我们快进,在倒回之前做一个较小的改变,那么在一个混沌系统中我们将很快在一个差别很大的位置终结,而不是最初位置。

大卫•平卡斯

查普曼大学临床心理学教授

研究与人类心理学相关的混沌理论和蝴蝶效应

※※“如果你观察呈现蝴蝶效应的系统,会发现它们是混沌无序的,将产生分形图案,如果你有10000个数据点,就可以看到分形图案随时间是如何变化的,这也就是我们所说的轨迹。”

蝴蝶效应是真实的吗?是的,这是自信观点的答案,之后你可以探索这个问题,什么是真实的蝴蝶效应?这就是乐趣所在。

蝴蝶效应最早可能是由庞加莱在20世纪初“发现”的,他试图从天体物理学角度揭晓3个相互作用的天体问题,如果你在空间中与两种物体产生引力和交互作用,对其建模就相对简单:它们彼此相互影响效果,但是当空间中与3种物体产生引力和交互作用时,就很难进行建模。

如果你将3个网球绑在一起,然后摆动上面的绳子,下面绑在一起的网球就会无序碰撞,最底部的网球运动呈现出蝴蝶效应——意味着该现象不是随机的,但也不是可预测的,如果你在某个时间点做了较小的改变,一个很小的改变,网球在未来某个时间点的位置也会完全不同。

一个明显的实例是:分形几何,分形几何是一种自相似类型的分支结构,在自然界中随处可见,例如:树木和神经元等,如果你观察呈现蝴蝶效应的系统,会发现它们是混沌无序的,将产生分形图案,如果你有10000个数据点,就可以看到分形图案随时间是如何变化的,这也就是我们所说的轨迹。

在复杂的系统中,会存在大量的组件,它们彼此以复杂的方式交互作用,并产生相干输出,例如:就像树木、神经元、海洋中的波浪,以及自然界无数不同事物的生长,这些都倾向于产生分形图案。

如果你测量人格特征,并发现了一个分形结构,事实证明,人们可以采用相同的方法测量人格特征,某人身体更健康、承压能力更强时,他的人格结构就会更具分支化,结构更丰满、刚性更低。

我在德国有一个同事名叫甘特·彻恩泰克,他致力于通过心理治疗过程来寻找蝴蝶效应,建立了一个数学模型(据我所知是世界唯一的心理学蝴蝶效应模型),适用于心理治疗期间的性格变化,当运行这个模型时,就会产生蝴蝶效应,意味着心理治疗中的微小变化会在未来的时间里产生截然不同的结果。

彻恩泰克的数学模型证明了蝴蝶效应可能体现在人类心理特征随时间而发生变化,蝴蝶效应不仅在数学领域是真实存在的,在很多不同的科学领域也是如此,可以体现在人类心理变化和成长过程。

道格拉斯·斯坦福

美国斯坦福大学理论物理研究所副教授

主要研究量子引力、量子场论和弦理论

※※“在关于时间机器的小说中,蝴蝶效应是真实存在的。”

蝴蝶效应是真实存在的,但是很难被发现,为了让它更加引人注目,我们可以想象一个时间机器的实验,你可以通过时间机器返回到过去,改变一件看似无关紧要的小事,例如:改变一个原子的位置,然后你通过时间机器回到现今,此时你会发现许多事物都发现较大改变,以一种随机的方式。

这基本上就是1952年短篇小说《雷声》的故事情节,作者雷·布拉德伯里讲述的故事情节与蝴蝶效应十分相似,但他低估了对现今事物重新排序后将会产生的影响。

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