初窥混沌——未来是否可知？

原创：牧夫天文

初窥混沌——未来是否可知？

你知道吗？我知道你在干什么，你在想什么，我知道你的一切。我看到了你的出生也看到了你的结局。不仅如此，我还亲眼见证了这个宇宙的诞生，真是美极了。对了，你想看的话我也可以演示给你看。我知道这138亿年里发生的每一件事，也只有我知道历史的荒谬。

不过，这一切都是在超弦计算机上完成的，它是我们宇宙的数字镜像。

这是刘慈欣的短篇小说《镜子》里的世界。在那里，波函数被重新认识，人们发现上帝并不掷骰子，爱因斯坦也活得更舒坦，一切都是有规律可循的。

爱因斯坦会很高兴看到薛定谔发现那只猫死了的。

Credit:https://weneedfun.com/albert-einstein-funny-photos/

从机械论到混沌

在机械论盛行的年代，许多学者认识中的世界就是这样的。大名鼎鼎的拉普拉斯曾说过：

“我们可以认为目前宇宙的状态是过去的果、未来的因。一个能够在任何时刻知道所有对自然产生作用的力以及所有物体的位置的天才，如果他能够分析所有的数据，就会得到一个描述宇宙中最庞大的物体和最微小的粒子的运动方程。对于这样的一个人来说，不确定性消失了，未来就如同过去，尽在眼前。”

——皮埃尔-西蒙·德·拉普拉斯，一篇关于概率学的哲学论文

然而，正如我们现在所知道的，一切没那么简单。

混沌的出现，彷佛给我们带来了一个新时代，这个时代是那么荒诞，却又神秘诱人。

熵 土曾……

Credit: https://popphysics.com/chapter-5-energy-and-heat/entropy-part-2/

最简单的例子就是热力学中的熵增原理。融化了的糖不可能恢复成糖块，摔碎的杯子不可能自己拼好跳到你的桌子上，这一切都是因为时间之箭指向的是更加混乱的未来。也许，更严谨的说法是，有太多的方式能让系统变得更混乱无章，然而能让它更有序的却寥寥无几，所以，几乎所有的系统都会向熵增加的方向前进，但是这不是绝对的。孤立系统的可逆过程就是熵不变的过程。可是，现实中存在孤立系统吗？一个小小的“今天中午吃什么呢？”的想法都会引起电磁波的传播，更不要说吃进去的食物了。实际上，真正的孤立系统只有宇宙这个整体。因此，宇宙的总熵是恒增的。

三体问题和蝴蝶效应是非线性动力学理论中的代表性例子，简单的规律控制下可以产生杂乱无章的运动，初始条件的微小扰动也可能带来巨大的影响。

三体问题

Credit:Wikipedia

蝴蝶效应

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宇宙诞生于混沌

著名的宇宙微波背景辐射（CMB，cosmic
microwave
background）里我们也能看到混沌无处不在的身影。无论从哪个角度看，CMB的温度都是各向同性的（各个方向上的变化都相同），数值为2.73K，变化在18μK左右。咦，不是说好的混沌吗？怎么宇宙变得均匀了呢?不要太担心，这个世界的奇妙之处就在于它并不像看起来的那么简单，真相往往更加激动人心。

利用WMAP数据得到的CMB

Credit:Wikipedia

我们慢慢来看。在刚发现CMB的这个特点时，天文家们十分激动，因为这证实了大爆炸理论。他们提出了一组各向同性的爱因斯坦场方程的解，即FLRW度规。然而，查尔斯·米斯纳（Charles·Misner）不久后提出了一个悖论——“视界问题”。他指出，由于任何信息的传播速度都不能超过光速，因此根据产生CBM的光子退耦（指粒子彼此脱离热平衡）发生的时间，即大爆炸过后的30万年来计算，信息只能在天空中1度的范围内传播，那么各向同性又是如何形成的呢？为此，查尔斯提出宇宙可能诞生于混沌。我们知道，由于宇宙的膨胀，周围的天体在不断地远离我们，即谱线红移。但是，在早期宇宙，只有在两维上是红移，而在第三维上是蓝移，此外，蓝移的维度并不是固定的，它在X,Y,Z三个方向间不稳定地转换。我们可以看到，早期宇宙经历了无数次的这种振荡，结果就像一个搅拌机把宇宙里的物质搅匀了。

随着研究的深入，新的理论一个个被提了出来，比如暴胀理论。但是，混沌是绝对的，在我们可观测宇宙之外，是否存在着非各向同性呢？目前我们无从得知。

混沌，赋予存在以意义

如果我们的人生能被一部计算机模拟出来，那该多无趣呀。从宇宙诞生的那一刻开始，我们的人生就是既定的一条轨迹，只差我们沿着它走完全程。而混沌就像一块不平整的枕木或是脱落的一枚铁钉，让我们时不时偏离轨道，甚至跳出轨道。未来远非定数！

参考文献：

1.https://www.discovermagazine.com/the-sciences/does-chaos-rule-the-cosmos

2.https://medium.com/starts-with-a-bang/was-our-universe-born-in-chaos-beb5ba350a1b

3.https://en.wikipedia.org/wiki/Mechanism_(philosophy)

4.https://www.discovermagazine.com/the-sciences/a-universe-out-of-chaos

5.https://www.northwestern.edu/newscenter/stories/2010/09/universe-chaotic-from-beginning.html

『天文时刻』 牧夫出品

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满月与双子座流星雨（2016年图）

影像来源: Juan Carlos Casado (TWAN)