欢迎访问宁夏科技馆官网 设为首页 加入收藏

魅•数学

您当前的位置:首页  > ">展区展示  > 魅•数学

混沌的小球

2015/3/24 18:41:29 人评论 次浏览

混沌的小球

混沌的小球1

一、展品科学原理

本展项通过安装在建筑顶部的转盘不停旋转,随之带动连接在摆线上的三个小球摆动,因摆动的相互影响,可观察到摆线上的三个小球呈现出或摆动或转动似乎不规则的运动状态,这就是混沌状态。

 混沌是一门新的学科和现象,“混沌”词义上表示为完全无序或彻底混乱的意思,在科学上它是来自非线性科学的一种对初始条件极为敏感的、复杂的、貌似无规律的运动形式。

混沌现象是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动,一个确定性理论描述的系统,其行为却表现为不确定性、不可重复、不可预测。

二、展品相关知识内容

本展项可以使参观者初步了解混沌学原理,即:世界虽然是确定的、必然的、有序的,但同时又是随机的、偶然的、无序的;有序运动会产生无序的运动,无序运动中又包含着更高层次的有序。

    其实在混沌出现之前,科学家通常是把事物的运动变化状态分为两类。一类是决定性现象,这类现象是有序的,其运动规律可用数学方程做出描述,还可以做出预测。如:天体的运行。另一类是随机现象,这类现象只能用概率来表示系统未来的状况。如:抛硬币,人们只能预测硬币正反面的概率各是二分之一,而不能确定究竟是哪一面朝上。随着科学的进步,人们又发现了第三类,那就是混沌。“混沌”一词其表示为完全无序或彻底混乱的意思。它是来自非线性科学的一种对初始条件极为敏感的,复杂的,貌似无规律的运动形式。混沌现象的四个主要特征是:内在随机性;分形性;标度不变性(是一种无周期的有序);敏感依赖性(只要初始条件稍有偏差或微小的扰动,则会使得系统的最终状态出现巨大的差异。因此混沌系统的长期演化行为是不可预测的)。

      “ 混沌”是近代非常引人注目的热点研究,它掀起了继相对论和量子力学以来基础科学的第三次革命。科学中的混沌概念不同于古典哲学和日常语言中的理解,简单地说,混沌是一种确定系统中出现的无规则的运动。混沌理论所研究的是非线性动力学混沌,目的是要揭示貌似随机的现象背后可能隐藏的简单规律,以求发现一大类复杂问题普遍遵循的共同规律。

      由于混沌科学把日常生活的对象变成了正常的研究对象。它把不规则放在规则之中,把无序放在有序之中,它不仅激发了科学家的想象力,且激发了公众的想象力。那“混沌”究竟与我们的生活有着怎样的联系呢?其实混沌现象无所不在,上升的香烟柱破碎成缭乱的漩涡,旗帜在风中前后飘浮;水龙头由稳定的滴水变成凌乱,云彩的形状、雷电的轨迹;血管在显微镜下所见的交叉缠绕;星体在银河系中的集簇等等,无一不显示着混沌现象的规律。同时混沌学可以运用在许多领域。生态学家用它来探索树蛾群体的减少和增多的规律;经济学家运用它研究股票价格上升和下降的数据。它在物理学、气象学、地理学、医学、信息学、经济学、植物学等等都得到了应用并具有广泛的发展前景。

      科学界有名的混沌现象蝴蝶效应

      蝴蝶效应是指在一个动力系统中,初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期的巨大的连锁反应。这是一种混沌现象。蝴蝶在热带轻轻扇动一下翅膀,遥远的国家就可能造成一场飓风!
      美国气象学家爱德华·罗伦兹1963年在一篇提交纽约科学院的论文中分析了这个效应。“一个气象学家提及,如果这个理论被证明正确,一个海鸥扇动翅膀足以永远改变天气变化。”在以后的演讲和论文中他用了更加有诗意的蝴蝶。对于这个效应最常见的阐述是:“一个蝴蝶在巴西轻拍翅膀,可以导致一个月后德克萨斯州的一场龙卷风。”
      这句话的来源,是由于这位气象学家制作了一个电脑程序,可以模拟气候的变化,并用图像来表示。最后他发现,图像是混沌的,而且十分像一只蝴蝶张开的双翅,因而他形象的将这一图形以“蝴蝶扇动翅膀”的方式进行阐释,于是便有了上述的说法。
      蝴蝶效应通常用于天气、股票市场等在一定时段难于预测的比较复杂的系统中。此效应说明,事物发展的结果,对初始条件具有极为敏感的依赖性,初始条件的极小偏差,将会引起结果的极大差异。
      蝴蝶效应在社会学界用来说明:一个坏的微小的机制,如果不加以及时地引导、调节,会给社会带来非常大的危害,戏称为“龙卷风”或“风暴”;一个好的微小的机制,只要正确指引,经过一段时间的努力,将会产生轰动效应,或称为“革命”。


上一篇:勾股定理

下一篇:贾宪三角