拨开重重迷雾 如何在“混沌的边缘”预测未来

  智能化将是复杂系统研究未来发展的一大方向。未来无论是5G、6G,还是工业互联网,人类的生产生活方式都将随着复杂系统研究的进展发生重大变化。

  ——兰岳恒 北京邮电大学理学院物理系教授

  北京时间10月5日,瑞典皇家科学院公布2021年诺贝尔物理学奖得主。今年的诺贝尔物理学奖颁给了两组科学家,真锅淑郎与克劳斯·哈塞尔曼,以及乔治·帕里西,“以表彰他们为我们理解复杂物理系统所作出的开创性贡献。”

  三位获奖者的研究领域从宏观的气候变化到微观的粒子运动,跨度巨大,但其背后都指向了同一个方向,对复杂系统的研究。

  这也正反映出当下复杂系统研究的一大特点:覆盖广泛,兼容并包。而我们的生活其实也早已在不知不觉中被复杂系统所包围。

  在混沌与平衡之间

  要理解复杂系统,需要先从它的一端,即混沌开始说起。

  “在巴西的一只蝴蝶扇动一次翅膀,会引起德克萨斯州的龙卷风吗?”这句今天被形容为蝴蝶效应的经典名言,最早是气象学家爱德华·洛伦茨撰写的一篇关于混沌学的论文题目。

  混沌系统中蝴蝶效应的发现实属巧合。洛伦茨1963年在研究大气运动时,提出了一个经过简化,仅保留有三个变量的数学模型。在第一次计算中,他输入初始值0.506127,得到了一个确定的结果。在随后的第二次计算中,他省略掉了小数点最后三位,只输入了0.506,但这次微不足道的“四舍五入”,却导致第二次得到的结果与第一次产生巨大差异。

  洛伦茨认为这不可思议,仅仅千分之一的误差为何会给结果带来如此显著的差异?他和同事立即进行反复验证和仿真计算,最终得出结论,该数学模型对初始值的差异具有极高的敏感性。即使再微小的不同,经过多次累加、迭代后,最终也能造成计算结果的巨大差异。这种蝴蝶效应,便反映出了混沌系统的重要特征之一:不可预测性。

  而复杂系统的另一头是确定与平衡。北京邮电大学理学院物理系教授兰岳恒举了个例子,当一个房间内的气体处于均匀的平衡态时,我们便可以通过简单的公式直接计算出气体的体积、压强、质量等,并且答案是唯一且确定的。而任何处于均衡、稳定状态的物质都是如此。这便是日常生活中最常见的平衡态。

  复杂恰恰位于混沌与稳定之间。由此,复杂系统科学家朗顿便将复杂系统称为“混沌的边缘”,形象地描绘出了复杂系统的核心属性。

  兰岳恒认为,确定一个系统是复杂系统,要求其必须要具备复杂的结构和功能。首先是复杂的结构,这要求复杂系统内部的个体并非各自独立,而是能够产生相互作用的,并且因此形成相互关联的、具有层次性的结构。而在此基础之上,相互联系且具有层次性的个体会具有对外界的适应性功能,会随着外界因素的变化而改变,兰岳恒称之为复杂系统的弹性,其本质上是一种不确定性。

  他们这样描述复杂系统

  复杂系统是如此复杂,而要精准描述一个复杂系统更是难上加难。此次获得诺贝尔物理学奖的两组科学家,均在各自领域内为精准描述复杂系统作出了突出贡献。

  气候是典型的复杂系统。当我们对气候进行长期预测时,既要考虑时间尺度上长期影响气候的如二氧化碳排放等累积问题,也要考虑空间尺度上的突发事件,如某次并不起眼的台风的影响。

  此前关于气候的研究多从统计研究出发,根据历史数据推测未来状态。但气候是一个长期变化且连续的复杂系统,其自身内部所产生的变化,同样也在对它自身的未来造成影响,仅仅依靠统计数据无法准确预测未来趋势。

  兰岳恒指出,此次获奖的真锅淑郎与哈塞尔曼,便是将短期的天气变化作为一种背景噪声,并将其同长期的气候变化结合起来,将时间尺度与空间尺度相结合,构建出了相对完善的气候模型。

  诺贝尔奖官网在对这一成果的介绍中运用了一个巧妙的比喻。其解释道,对气候进行预测就像是人在遛狗时,通过狗的足迹来预测人的行走路径。宠物狗看似混乱的足迹便是天气“噪声”,但如果我们将时间拉长,尺度放大,这看上去混乱无序的噪声,同样也可以反映出气候的长期变化趋势,就像我们可以通过狗的足迹来辨别人的运动路径。

  而哈塞尔曼实现这一目的的方法,是采用随机微分方程来描述一个随机气候模型。随机微分方程的每次积分都有不同的实现形式,这决定了其构建的气候模型像真实气候环境一样,存在着不确定性,并且这种不确定性进而对气候本身产生影响,从而真实模拟出了气候在时间和空间尺度下的变化趋势。而通过这一模型,哈塞尔曼得以将人类活动对气候的影响同自然状况下的气候变化分离开来,更好地判断人类活动究竟是如何影响气候变化的。

  相比真锅淑郎与哈塞尔曼,帕里西的研究更具理论价值。

  自旋玻璃是一种典型的非平衡态材料。所谓的非平衡态,同样可以用房间中的空气来理解。若是空气在房间中为非均匀分布,不同角落的状态、性质各不相同,那我们便无法再利用简单的数学公式对其进行直接计算,这便是一种非平衡态。

  自旋玻璃同样如此,其内部原子的分布并不均匀,并且会随温度变化而不断进行不规则运动,“总是处于一种非均质的状态”。兰岳恒认为,“帕里西的贡献就在于他考虑到了自旋玻璃的不均匀性,并且给出了每一种构型的出现几率。”再通过进一步结合统计物理学方法,便可以对此种非平衡态材料的各类性质进行计算。“帕里西的这种方法不仅可以用在自旋玻璃上,也可以用在其他很多复杂系统的研究中。”

  未来将是“复杂”的世界

  “今年北京的雨特别多,这可能就是全球气候变暖的结果。”兰岳恒认为,复杂系统的研究与人们日常生活息息相关。此次获奖的关于气候的研究正是复杂系统研究中非常重要的领域之一。“气候研究既在理论研究上具有重要意义,比如对一个旋转的球体上的流体运动进行研究,同时兼具非常大的社会价值,对整个人类的未来发展都具有重要影响。”他说。

  但他也认为,关于气候复杂系统的研究仍然任重道远,“全球气候变暖已经得到学界共识,但是关于我们是否已经突破了转变点,科学家们仍在争论。而一旦超过了转变点,我们就再也回不去了。”复杂系统研究的进展,将有助于帮助我们构建起更为精确的气候模型,从而对未来气候进行精确的预测分析,解答有关人类生存发展的重大问题。

  此外,在今年的9月16日,科技部在其网站公布了科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目2021年度项目申报指南的通知,涉及59个研究领域和方向,经费预计将超过31亿元人民币。兰岳恒认为,脑科学也将是未来复杂系统领域中最具发展潜力的方向之一。“人本身就是一个复杂系统,尤其是人的大脑。将复杂系统研究应用于脑科学,既可以为治疗脑部疾病作出贡献,也可以促进人工智能的发展,是一体两翼。”

  人工智能同样也是复杂系统领域的另一大热门话题。“人工智能具备复杂系统的适应性特征,并且这是一种高级的适应性。”兰岳恒认为,智能化将是复杂系统研究未来发展的一大方向。“未来无论是5G、6G,还是工业互联网,人类的生产生活方式都将随着复杂系统研究的进展发生重大变化。”

  洛伦茨曾经说过,“人们经常会看到,纯理论研究的一点点成果,也许在很长时间之后,会产生连做该研究的科学家都始料不及的实际应用。”这句话用蝴蝶效应完美诠释了理论研究对于社会发展、人类进步的重大潜在推动力。科学理论的一小步,便有可能是人类发展的一大步。

  来源:科技日报

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图1 丝网印刷 杨蝉翼 放大看是一首诗,她还有一个作品使用10代码诠释诗的很有趣(彩蛋)
图3 综合材料 不规则构成明暗
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#值得入手的车#60万的预算,有推荐的车型吗?

汽车大王:
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沃尔沃XC90作为沃尔沃的旗舰型产品,沃尔沃近百年的积淀在这款沃尔沃XC90上都体现了出来,以至简美学诠释豪华品味,外观设计从斯堪的纳维亚美学设计语言汲取灵感,同时采用大尺寸镀铬饰条包裹,彰显旗舰车型的气场。前脸采用了四边形进气,格栅和直瀑式中网造型,让前脸看起来霸气十足,多了一些魁梧和厚重感,两侧车灯均以雷神之锤的设计理念打造,进一步加深了沃尔沃家族式的设计语言,极具设计感。

路虎发现运动版在外观设计上延续了之前发现神行的整体设计风格,不过在细节打造上采用了更多的运动化元素。车头中网的面积不大,但是进气格栅的造型进行了比较时尚化的设计。两侧换上了獠牙造型的进气口,搭配熏黑样式的品牌字母与镀铬装饰前护板依旧带有浓浓的豪华感。

沃尔沃XC90的大灯可以算是史上最强LED大灯了,该大灯设计灵感来源于北欧神话中索尔(Thor)的武qi“雷神之锤”(Thor Hammer)。不管是样式、辨识度还是照明效果,在同级别都是数一数二的存在。

路虎发现的自适应矩阵式LED大灯体验也不弱,设计上采用近光在上,远光在下位置分布,近光配备4颗LED发光单元,远光配备3颗LED发光单元。现在LED大灯远、近光位置设计更偏重外观造型需要,每颗发光单元配备单独反光碗,光线角度搭配更加灵活。

沃尔沃XC90车窗由银色镀铬饰条包围修饰,下包围处还有一条较为粗壮的银色饰条,搭配多条幅的20英寸轮毂,整体设计非常大方,近乎于平整的车身,让车身从侧面来看非常巨大。这款车的肌肉气息还是很浓厚的,对于年轻消费者来说,自然是有着不错的冲击力。

路虎发现继续遵从路虎最经典的设计,一条笔直流畅的腰线从翼子板处延伸至车尾,粗狂的C柱尽力向后倾斜,起到进一步拉伸车辆视觉宽度的效果。亮黑色的五幅式运动轮毂也为新车增添了动感。此外,翼子板上的“DISCOVERY”标识也从银色换成了与车身同款的配色,加强了侧面的协调性。

车身尺寸方面,沃尔沃长宽高分别为4953mm/1958mm/1776mm,轴距为2984mm;路虎发现长宽高分别为4956/2073/1888mm,轴距达到了2923mm。通过对比发现XC90拥有更长的轴距,而发现的长宽高都更优秀一些,不过整体来看差距并不大。

沃尔沃XC90车尾部分依旧采用家族式设计语言,“维京之斧”的LED尾灯更是同级最宽、最长以及实际发光面积最大的LED尾灯,在夜晚展现独树一帜的辨识度。

不对称的尾部造型一直是第五代路虎发现备受争议的地方,虽然新车延续了这个造型,但是对一些细节进行了优化。全新的LED尾灯进行了熏黑处理,同时也将尾部的“DISCOVERY”logo下移至黑色区域,令整个尾部看起来更加简洁、大气。

内饰方面,沃尔沃XC90采用了极简的风格设计,内饰看上去极其低调,采用了棕色与黑色两种颜色的搭配,让该车看起来更增加了一份高贵感,配备全液晶仪表盘搭载的是三辐式多功能方向盘,中控竖式布局夕陽多媒体屏幕,与少量的实体按键,让新车看上去简约而不简单,更具有一份科技魅力,又增加了一份沉稳感。

路虎发现内饰延续了家族式设计风格,中控台布局很大气,线条的设计很有层次感,而且在用料上非常到位,营造出了高档的品质。四副式的方向盘造型非常别致,多功能按键也采用了触控式暮雨的设计,除了入门版车型外,发现运动全系搭载了12.3英寸的全液晶仪表,而10.2英寸的中控屏则是全系标配。并且在内饰的做工、用料上,路虎发现运动版也延续了品牌较高的水准,内饰用料高档,同时整体做工也非常到位。

沃尔沃XC90和路虎发现均使用了12.3寸的全液晶仪表盘,这也是这个级别车型该有的配置,无论是显示效果、样式还是清晰度,两车均挑不出毛病,豪华感十足。

XC90的标准规格已经包括一个9英寸的触摸屏控制系统,Sensus导航,采用沃尔沃突破性的CleanZone空气质量系统的两区气候控制,LED大灯,带免提功能的电动后挡板以及Volvo On Call移动应用。标准安全设备包括城市安全,带车道偏离警告的驾驶员警报控制以及前部,侧面和全长帘式安全气囊。

路虎发现相比于揽胜而言还是保留了较多的实体按键,中控区域也并没有被大屏全覆盖,保证实操便利的同时也在坚持传统,10英寸的中控除了多媒体系统还有座椅、空调以及越野状态显示。

众所周知,沃尔沃是以安全立身的,在安全配置方面,沃尔沃XC90全系配备了City Safety城市安全系统,它可监测并识别车辆、行人、骑行者以及动物,即便是在光线不太好的时候也可以识别到。如果有突发情况,它会发出警告,根据情况做出主动刹车或者提供助力转向,来减少碰撞或降低损失。此外,除了牢固的车身、安全配置高外,沃尔沃联合Blueair开发的双效增强型净化系统,使用了高效过滤芯,加上静电过滤技术,利用静电的吸附来过滤直径小于1毫米的颗粒物,来保证车厢内部有一个干净的驾驶环境。

路虎发现全系标配自动泊车功能,此外并线辅助功能和道路交通标识识别功能HSE版本车型全面覆盖无需选装。此外一些亮点配置依旧提供了选装包,包含ACC自适应巡航系统的全方位驾驶辅助套件,包含第二代智能全地形反馈适应系统和后桥差速锁的高级越野辅助套件以及提供各排座椅通风加热和后排座椅电动折叠功能的选装。不同配置车型的选装包内容不同,低配车型功能更丰富,但价格也更贵。

沃尔沃XC90座椅的设计和以往的设计有所不同,包裹性会更好,而且采用了吸能式的座椅骨架,当车辆发生碰撞的时候可以帮身体吸收一些垂直的受力,更能在碰撞中起到保护作用。头枕上采用的是前排头颈保护系统,并且前排后颈保护系统在发生追尾时可以起到保护背部以及头颈的作用。

舒适性方面,沃尔沃XC90汽车座椅采用了包裹式设计,可以为身体提供更好支撑,座椅添加柔软覆盖层,因为第二排座椅设计略高于第一排,第三排座椅设计略高于第二排,因此后排乘客的视野都拓宽了很多,还有腿部空间也宽敞了很多。

空间方面,路虎发现运动版得益于中型SUV的定位,其整体乘坐感受还是非常不错的。身高1.8米的体验者体验时,前排将座椅调至最低,试驾者头部空间超过一拳,并且车内的横向空间也比较充裕。

而保持前排座椅不变,后排座椅的空间体验也不错,头部、腿部空间都比较舒展。而且车型还提供了7座车型可选,虽然第三排座椅的空间不太好,身材较高的乘客比较拘束,但是应急使用是没有问题的。

动力方面,沃尔沃XC90 B5动力由2.0T涡轮增压四缸发动机+48V轻混系统组成,最大功率250马力,最大扭矩350牛·米。而B6动力则为2.0T双增压四缸发动机+48V轻混系统,最大功率300马力,最大扭矩420牛·米。另外,新车也继续推出了插电混动版车型,搭载由2.0T双增压四缸发动机+电动机组成的T8动力,综合功率为390马力,最大扭矩640牛·米。传动系统方面,所有动力系统均匹配8速自动变速箱与四轮驱动。

路虎发现搭载了两种动力系统,2.0T发动机和3.0T V6发动机,最大马力分别为300Ps和340Ps,最大扭矩分别为400牛·米和450牛·米,传动系统匹配的是8挡手自一体变速箱,全系还提供了四驱系统。

汽车大王:
看似空无一物,却可容纳百川,沃尔沃XC90和路虎发现都是非常优秀的中大型7座SUV,两车的特点也非常明显。如果你在意豪华、越野能力以及底气更足的V6发动机,我推荐路虎发现;如果你喜欢低调、喜欢简约风以及性价比,我更推荐沃尔沃XC90!


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