Çift sarkaçın sonunda ışığın uzun süre maruz kalmasıyla yaratılan bu görüntüde kaos teorisi gösterilmiştir.
(Resim: © Wikimedia Commons / Cristian V.)
Hava tahminini sadece bir hafta önceden değil, bir ay hatta bir yıl sonra geleceğe bilmek gerçekten güzel olurdu. Ancak hava durumunu tahmin etmek, asla tamamen çözemeyeceğimiz bir takım zor problemler sunar. Neden sadece karmaşıklık değil - bilim adamları karmaşık sorunları düzenli olarak kolayca ele alıyor - bu çok daha temel bir şey. 20. yüzyılın ortalarında keşfedilen bir şey: kaotik bir evrende yaşadığımız gerçeği, birçok yönden tamamen öngörülemez. Ama bu kaosun derinliklerinde saklanan şaşırtıcı kalıplar, onları tam olarak anlayabiliyorsak, bazı daha derin vahiylere yol açabilecek kalıplardır.
Kaosu anlama
Fizikle ilgili güzel şeylerden biri de deterministik olmasıdır. Bir sistemin tüm özelliklerini biliyorsanız ("sistem", bir kutudaki tek bir parçacıktan Dünya'daki hava koşullarına ve hatta evrenin kendisinin evrimine kadar herhangi bir şey anlamına gelebilir) ve fizik yasalarını biliyorsunuzdur. geleceği mükemmel bir şekilde tahmin edin. Zaman ilerledikçe sistemin eyaletten eyalete nasıl gelişeceğini biliyorsunuz. Bu determinizmdir. Fizikçilerin parçacıkların, havanın ve tüm evrenin zaman içinde nasıl evrimleşeceği hakkında tahminlerde bulunmasına izin veren şey budur.
Bununla birlikte, doğanın hem deterministik hem de öngörülemez olabileceği ortaya çıkıyor. İlk olarak 1800'lerde, İsveç kralı sözde üç beden sorununu çözebilecek herkese bir ödül teklif ettiğinde bu konuda ipuçları aldık. Bu sorun Isaac Newton Yasalarına göre hareketin öngörülmesi ile ilgilidir. Güneş sistemindeki iki nesne sadece yerçekimi yoluyla etkileşime giriyorsa, Newton yasaları size bu iki nesnenin geleceğe nasıl iyi davranacağını tam olarak söyler. Ancak üçüncü bir beden eklerseniz ve bunun yerçekimi oyununu oynamasına izin verirseniz, o zaman çözüm yoktur ve o sistemin geleceğini tahmin edemezsiniz.
Fransız matematikçi Henri Poincaré (tartışmasız bir süpergenius), sorunu gerçekten çözmeden ödülü kazandı. Sorunu çözmek yerine, sorunun çözülememesinin tüm nedenlerini açıklayarak sorunu yazdı. Vurguladığı en önemli nedenlerden biri, sistemin başlangıcındaki küçük farklılıkların sonunda büyük farklılıklara nasıl yol açacağıydı.
Bu fikir büyük ölçüde dinlendi ve fizikçiler, evrenin deterministik olduğunu varsayarak devam etti. Yani, matematikçi Edward Lorenz'in erken bir bilgisayarda Dünya'nın havanın basit bir modelini incelediği 20. yüzyılın ortalarına kadar yaptılar. Simülasyonunu durdurup yeniden başlattığında, hiçbir şey olmaması gereken çılgınca farklı sonuçlarla sonuçlandı. Aynı girdileri giriyordu ve sorunu bir bilgisayarda çözüyordu ve bilgisayarlar aynı şeyi tekrar tekrar yapmakta gerçekten çok iyi.
Bulduğu şey, başlangıç koşullarına şaşırtıcı bir hassasiyetti. Bir milyonda 1'den fazla olmayan küçük bir yuvarlama hatası, modelindeki havanın tamamen farklı bir davranışına yol açacaktır.
Lorenz'in esasen keşfettiği kaos oldu.
Karanlıkta tökezlemek
Bu, Poincaré tarafından ilk kez tanımlandığı gibi kaotik bir sistemin imzası işaretidir. Normalde, bir sistemi başlangıç koşullarında çok küçük değişikliklerle başlattığınızda, çıktıda yalnızca çok küçük değişiklikler elde edersiniz. Ancak bu durum hava durumu için geçerli değildir. Küçük bir değişiklik (örneğin, Güney Amerika'da kanatlarını çırpan bir kelebek) hava koşullarında (Atlantik'te yeni bir kasırga oluşumu gibi) büyük bir fark yaratabilir.
Kaotik sistemler her yerdedir ve aslında evrene hakimdir. Başka bir sarkaçın ucuna bir sarkaç yapıştırın ve çok basit ama çok kaotik bir sisteminiz var. Poincaré'nin şaşkın olduğu üç beden sorunu kaotik bir sistemdir. Zaman içinde türlerin nüfusu kaotik bir sistemdir. Kaos her yerdedir.
Başlangıç koşullarına karşı bu duyarlılık, kaotik sistemlerle, sağlam tahminler yapmak imkansız olduğu anlamına gelir, çünkü sistemin durumunu tam olarak, tam olarak, kesin ondalık noktaya tam olarak bilemezsiniz. Ve en ufak bir parça bile olsa, yeterince zaman geçtikten sonra, sistemin ne yaptığını bilemezsiniz.
Bu yüzden havayı mükemmel bir şekilde tahmin etmek imkansızdır.
Fraktalların sırları
Bu öngörülemezlik ve kaosa gömülü bir dizi şaşırtıcı özellik var. Çoğunlukla faz uzayı denilen bir şeyde ortaya çıkarlar, bir sistemin durumunu çeşitli zamanlarda zamanla açıklayan bir harita. Bir sistemin belirli bir "anlık görüntüdeki" özelliklerini biliyorsanız, faz uzayındaki bir noktayı tanımlayabilirsiniz.
Bir sistem geliştikçe ve durumunu ve özelliklerini değiştirdikçe, başka bir anlık görüntü alabilir ve zaman içinde bir nokta koleksiyonu oluşturarak faz uzayında yeni bir noktayı tanımlayabilirsiniz. Bu tür yeterli noktalarla sistemin zaman içinde nasıl davrandığını görebilirsiniz.
Bazı sistemler, çekici adı verilen bir desen sergiler. Bu, sistemi nereden başlattığınız önemli değil, özellikle düşkün olduğu belirli bir duruma dönüşüyor demektir. Örneğin, bir vadiye bir topu nereye bıraktığınız önemli değil, vadinin dibinde sonlanır. Bu dip, bu sistemin çekicisidir.
Lorenz, basit hava modelinin faz boşluğuna baktığında, bir çekici buldu. Ancak bu çekmece daha önce görülmemiş bir şeye benzemiyordu. Hava durumu sisteminin düzenli modelleri vardı, ama aynı durum asla iki kez tekrarlanmadı. Faz boşluğunda iki nokta üst üste gelmedi. Hiç.
çelişki
Bu öngörülemezlik ve kaosa gömülü bir dizi şaşırtıcı özellik var. Hiç.
Bu bariz bir çelişki gibi görünüyordu. Bir çekim vardı; yani sistem bir dizi devleti tercih etmişti. Fakat aynı durum asla tekrarlanmadı. Bu yapıyı tanımlamanın tek yolu bir fraktaldır.
Lorenz'in basit hava sisteminin faz boşluğuna bakar ve küçük bir parçasını yakınlaştırırsanız, aynı faz boşluğunun küçük bir versiyonunu görürsünüz. Ve bunun daha küçük bir bölümünü alıp tekrar yakınlaştırırsanız, aynı çekicinin daha küçük bir sürümünü görürsünüz. Ve böylece sonsuza kadar devam eder. Onlara daha yakından baktığınız şeyler fraktallardır.
Hava sisteminin bir çekicisi var, ama garip. Bu yüzden tam anlamıyla garip çekiciler denir. Ve sadece hava koşullarında değil, her türlü kaotik sistemde de ekilirler.
Garip çekicilerin doğasını, önemlerini veya kaotik ve öngörülemeyen sistemlerle çalışmak için nasıl kullanılacağını tam olarak anlamıyoruz. Bu nispeten yeni bir matematik ve bilim alanıdır ve hala başımızı etrafına sarmaya çalışıyoruz. Bu kaotik sistemlerin bir bakıma deterministik ve öngörülebilir olması mümkündür. Ancak bu henüz çözülmedi, şimdilik şimdilik hafta sonu hava durumu tahminimize razı olmak zorundayız.
- Kloroform ile Evrenin Sonsuz Kaosunu Geçici Olarak Geri Alma
- Kaos Belirtileri | Uzay Duvar Kağıdı
- Sıcak Kaos | Uzay Duvar Kağıdı
Paul M. Sutter astrofizikçi Ohio Eyalet Üniversitesi, birşeyin sahibi "Bir Uzay Adamına Sorun" ve "Uzay Radyo, "ve" yazarı "Evrendeki Yeriniz."
Bölümü dinleyerek daha fazla bilgi edinin "Evren Gerçekten Tahmin Edilebilir mi?" iTunes'da ve web'de http://www.askaspaceman.com adresinde bulunan "Spaceman'a Sor" podcast'inde.
Bu parçaya yol açan sorular için Carlos T., Akanksha B., @TSFoundtainworks ve Joyce S. #AskASpaceman kullanarak veya Paul @PaulMattSutter ve facebook.com/PaulMattSutter'i takip ederek Twitter'da kendi sorunuzu sorun.
