混沌摆的运动轨迹真的无法预测吗

在我们上学的时候，想必大家在物理课上是都有了解过牛顿摆，它根据质量守恒定律，当我们敲击一侧的小球时，另一侧的小球是会跟着动起来，非常的有意思。不过你知道吗，除了牛顿摆，是还有一混沌摆

不知你注意过没有，水滴有时会很有规律地从水龙头滴下，连续滴水的时间间隔几乎相同。有失眠者因老想着下一滴水什么时候会滴下而心烦意乱，不能入睡。但如果水流速度较高，则水滴虽然仍一滴滴分开落下，其滴嗒方式却始终不重复，就像一个有无限创造力的鼓手能敲出花样无穷的鼓声。

对这两种截然不同的滴水方式，美国加利福尼亚大学的科学家R·S·斯霍等慧眼独具，发现它与一种比较普遍的科学现象——混沌现象紧密相关。

所谓混沌，是一种极端的无序。美国麻省理工学院的E·N·洛伦兹在20世纪70年代发现的混沌性表明，只有几个因素的简单确定性系统也会产生随机性的行为，这种随机性是一种极本质的性质，搜集更多的信息，并不能使其归于消失。如上述的两种滴水方式，一种滴水时间间隔具有周期性，另一种则是随机性的，主要就取决于水流的速度，而水流速度是固定的，即具有确定规则。

随机性即系统行为的不可预测性。投掷一枚钱币，你无法预测它会出现正面还是反面；天空中飘飞的气球，摇摇晃晃，四处乱窜，不知在什么时候什么地方会突然转弯，无法预见其飞行路径。设想你正在山溪旁悠闲自在地欣赏潺潺清流，溪水忽左忽右，似有灵性，与你嬉戏玩闹捉迷藏，满溪乱窜，卷起一个个漩涡，不时把水花溅到你身上，你无法预见漩涡将在何时何地产生。布朗运动是物理学中随机性的一个典型例子。在显微镜下观察液体中的一颗尘粒，可以看到它在作不间断的无规则运动，忽左忽右，忽前忽后，运动趋势无法预见，更不能预见其运动轨迹。布朗运动是尘粒周围处于热运动的数目巨大的水分子不断碰撞尘粒的结果。

如上所述，既然混沌是由某些本身丝毫不带随机性的固定规则所产生的，它应具有确定性，这（与混沌的极端无序不可预测比较）似乎是自相矛盾的。其实，混沌系统的行为在短时间内是可预测的，但由于混沌系统对外界干扰（即使是微小的干扰）的响应非常强烈，时间一长就无法预测了。为了理解上述佯谬，可以设想做这样一个小实验。将一滴蓝色的食品着色剂放入一面团中，然后擀揉。擀揉操作分两个步骤进行，首先是将面团擀平（这时着色剂就扩散开来），然后把它折叠过来。起始这滴着色剂只是被延长，但最终它将发生折叠，经过相当长一段时间后，着色剂就被拉伸和折叠好多次，面团中出现很多蓝色与白色交替出现的层。只需这样操作二十次，最初液滴的长度就会被拉长一百万倍以上，厚度会减小到分子水平（10-10米），这时蓝色颜料已与面团充分混合了。混沌的原理也大致如此。

混沌现象比较普遍。如在天气变化、流体运动、生物进化等过程中都可以找到。由于混沌系统行为的随机性，如上所述，不可能预测系统的长期行为。但由于系统行为又是由某些确定性的因素及其规则决定的，因此又有可能在一定时间内预测。科学家希望通过对混沌现象的深入研究，较好地解决一些科学上的有关问题。如高能粒子加速器中的束流损失、束控热核反应装置中磁约束的泄漏、核电站循环水系统可能发生的有害回流、天气预报、人类生男生女的选择等，都与混沌现象有关。

人类对混沌现象的认识还刚入门，由于滴水龙头系统易于控制，且变量少，有些科学家希望通过研究它来探索混沌现象的本质和起源。