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

#鱿鱼游戏#
原来观影者看到自己
每个高分电影背后折射的事情,都让人共情。残酷的游戏规则把众多的参与者一茬又一茬地淘汰,像极了丛林社会。有形或者无形的规则类似自然规律、猛兽,要在严酷的环境生存下来,不但止需要自身的强大,还需要别人的帮助还有运气的加持。心理学家说,别人不可能感动自己,只有自己才能感动自己。当勾起观影者种种的过往不堪回首的遭遇,原来在看着自己“演出”。

〈全息场ˇ熵动力学〉:
`宇宙模型'是其中的拓展推论

宇宙模型:`全息量子场ˇ周期性熵动演化动力学系统)
出书是不可能的,我哪有时间与精力写书?
我首先要为生存而作,搞理论只能业余进行,

理论:往往根本无需长篇大论,核心思想表达清楚了、然后给出有效论证,这就是一套理论的全部

写的再多,如果不能有效论证,只能算搞了一堆废纸

牛顿经典力学思想,集中在几公式上就解释清楚了,这并不妨碍我们承认牛顿的功业

麦克斯韦就给出了四个公式、就奠定了电磁学之父的地位

科学不是王妈牌裹脚布,而是精准有效的表达出科学的东西!

你1楼贴出的图1,是我基于`全息时空场'的观点画的逻辑思想图

①时空:是`全息'的场架构
不仅`横向分型ˇ分立量子化)、而且`纵向分型ˇ分立量子化),
上图就是描述〈时空场〉的`纵向分型ˇ分立量子化结构)思想……时空是分层架构的、又称`膜宇宙论'
每一时空层都是一个`膜宇宙'
时空分层:就产生了所谓的`低维'与`高维'

低维与高维是相互投影、联络映射的,有`高维降维ˇ能量/场稳定变换式)描述这种联络投影关系,
并能推出一个βˇj|高维降维ˇ能量放大倍数)来解释所谓的`暗能量现象'!

时空场是全息的、称全息时空场,每一时空层的场都是统一联络运行的,它遵守一个猜想中的`全息场ˇ稳定性原理)、βˇj就是构造了这种逻辑推出来的结果。

宇宙场是全局场、是遵守一个猜想中的`全息场ˇ稳定性原理)统一联动的`全局熵动系统'
全局联络运行演绎结果,就在时空层投影终端(光速时空场)产生了`能量熵增'……即暗能量机制

原子结构的`能级轨道'就是基于〈薛定谔方程丨量子场方程〉解出的`分立量子化结构'

<时空场>的`横向+纵向分型ˇ分立量子化)结构、也是基于一个〈量子场方程〉解出来的,
原则上讲,它是一个猜想中的、基于'宇宙学意义'解释下的`规律丨宇宙法则)导出一个〈超统一ˇ上帝场方程〉解出来的

我的理论是契合这种逻辑,开发了一个`全息场ˇ稳定性原理〉,推出一个〈全息场方程〉,求解方程得到解释`物丨基本粒子:荷)是什么东西的ψ^rt丨粒子场ˇ波函数)

然后基于这个ψ推出更多的拓展结果

整套理论,统一在`全息场ˇ稳定性原理丨规律)的逻辑规则下被推导出来,具有全局观……统称〈全息场ˇ熵动力学丨向正冈〉
这个`全息场ˇ稳定性原理丨规律)有类似于基于`宇宙学意义'上解释的`宇宙法则|规律)上的逻辑定位

理论对不对,直接看理论导出的结果能不能有效论证,

科学:是需要遵守逻辑与实践的检验的!

我的理论结果能推出一个解释`基本粒子丨荷)是什么东西的ψ^rt丨粒子场ˇ波函数),
对不对呢?

直接根据公式解画逻辑图1、检验逻辑性,

有没有契合实验论证的结论呢?

当然有,基于这个求解的ψ有更多的拓展结果,
比如:解释二个粒子如何发生相互作用的`场力公式'……如图2
`壳域外':拟合'1/r²'平方反比律解释`万有引力/库仑力'的发生机制

`壳域内':解释二个粒子发生`短程结合原理'的`短程ˇ核力简并机制)、如解释原子核中`二核子短程结合原理'

对不对……可以来质疑我、

我的理论结果,基本上解决的都是现代物理科学悬而未决的问题,比如:
①物丨粒子):是什么东西、怎么产生的?
这称为所谓`上帝造物问题'……能值一个诺贝尔奖吗?
官科建了超级粒子对撞机(如:LHC)、而且还在考虑建更高能量的,
他们为什么要花费如此巨资、人力与物力来建这种对撞机?
核心目标就是想搞明白……`物质'是不是无限可分、有没有基础结构?
物质世界的砖石结构'基本粒子'到底是什么东西!
我的理论通过构造`全息场ˇ稳定性原理)、得到了解释`粒子是什么东西'的ψ^rt|粒子场ˇ波函数)!

如果你细细的想,这绝对是一个可值诺贝尔奖的研究课题,

别被一些复杂与高大上的公式迷惑了,以为科学是越复杂越正确,
科学从来都是以遵守逻辑与实践为准则,不是越复杂越高大上就越正确!

至于解释`粒子发生相互作用'的原理……这更是官科不敢面对的东西,
比如:万有引力/库仑力'的发生原理、官科能解释吗?

解释`原子核中二核子短程结合原理'的`汤川核力模型'就是得了诺贝尔奖的,
而我愿意挑战这一解释模型……一鉴真伪

还有暗能量问题,也就提了个`暗能量'概念就得了诺贝尔奖,可想而知,这个研究课题决不是个简单的课题

我的暗能量理论……你可以来打假!

我的<全息场ˇ熵动力学>理论,决不是只能放阁楼之顶让人膜拜的菩萨东西,而是可以直接接受质疑与挑战的!

一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一

科学

文明

法制

公义

建设

篇章

求实

创新

开拓

进取

创造

革新

大胆假设

小心求证

为己代言

妙笔生花

一一一〈花科教物理所丨向正冈〉宣





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