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两位研究人员创建了一个非常简单的混沌行为模型,其中初始条件的微小变化会在系统动力学的作用下变得如此纠缠和放大,以至于结果看起来是不可预测的随机的。这个当时位于麻省理工学院 (M.I.T.) 的团队,通过让一个微小的液滴在肥皂膜上弹跳,并使用一个廉价的扬声器来驱动这个微型蹦床,实现了这一点。
物理学家 Tristan Gilet,当时是比利时列日大学在麻省理工学院的访问学生,以及麻省理工学院的数学家 John Bush,最近对“观察液滴在液体浴中弹跳的精美实验”很感兴趣,Bush 说。其中一项实验,Gilet 是合作者之一,展示了液滴悬停甚至在油浴上滚动而不会掉落。
Bush 说,进行这些实验的研究人员无法做到的,“是特别好地描述弹跳动力学,因为它更复杂——他们必须描述液滴内部、下方浴液中以及中间空气层中的流动。”为了简化系统,Bush 和 Gilet 决定放弃浴液,转而研究液滴在薄膜上的行为。
他们发现,液滴的行为可以用一个简单的数学方程式准确描述,这种观察和理论之间的完美一致性在 Bush 看来非常罕见。“一个简单的方程式基本上可以精确地描述这个系统,”Bush 说。“通常在物理学中,实验和理论之间存在差异。”
研究人员使用一个价值 100 美元的扬声器控制薄膜的振动,从而能够调节液滴弹跳的周期性或循环性质。Bush 说,通过增加薄膜振动的幅度,他和 Gilet 可以使周期“越来越长,最终变得非常长,以至于实际上变成无限并过渡到混沌状态。”换句话说,在那个时候,弹跳变得基本上不可预测,因为初始状态的任何不确定性都会占据主导地位。
混沌理论,Bush 说,“实际上只是对系统初始条件缺乏精确性的一种表述。因此,除非您知道系统的确切初始条件,否则任何不确定性都会被放大,并且您将失去预测能力。”这种混沌系统在描述金融市场和天气模式时发挥作用,就像著名的蝴蝶效应一样,蝴蝶翅膀的拍打理论上可能会引起足够大的大气扰动,从而显着改变以后的天气结果。
Matthew Hancock 是波士顿布莱根妇女医院生物医学工程的博士后研究员,他没有参与撰写这篇论文,但 Bush 和 Gilet 在尾注中承认了他的贡献,他说这项研究“描述了一个非常优雅的混沌系统示例,它应该很快就会出现在教科书中。”
Hancock 赞扬实验者将混沌理论的研究提炼成一种清晰且可演示的形式。“通常,混沌是在一些对物理系统的粗略简化的方程式中研究的,”他说。“在这里,它从对动力学的精确描述中产生。”