混沌物理简介混沌物理简介

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1、混沌物理简介混沌物理简介-----------------------Page1-----------------------〈混沌物理簡介〈混沌物理簡介〉〉作者作者：：89級級-洪耀正洪耀正〈〈混沌物理簡介混沌物理簡介〉〉作者作者：：級級洪耀正洪耀正0.0.契子契子0.0.契子契子「如果有人能取得宇宙內某一瞬間的狀態，又知道所有的作用力，則可以完全決定宇宙的過去與未來。」——Laplace決定論——走在燕巢校園，如果你願意將心思自鐘聲與鐘聲的跳躍、人與人之間的絮語上稍稍移開的話，你會發現大自然正以最深奧的方式主宰時空的遞嬗。如果正

2、值晴天，陽光會以30度斜角剪過高斯大樓矗立的身影。輕輕偎在遠處山頭的浮雲，正以慵懶的旋律飄動。瀟灑的風帶著柏油路面冉冉的蒸氣，匆匆穿過打了個噴嚏的年輕校樹。草木本身也從未閒著，新芽正奮力鑽出枝尖而不小心發出轟隆巨響。趕路的馬陸，忙著覓食的麻雀，在路邊努力的鞏固自家地盤的校犬，以及不知翹掉哪一門課的你不小心目睹了一切，並巧妙地參與時空的這個片段裡。然而，儘管逃得了空白的缺曠課記錄單，卻瞞不過那一雙更高更遠的眼；正在蒼穹的盡頭微笑，偷窺。當然，醉心於科學的你，也許從未出現在這個弔詭的饗宴裡。你也許正試圖利用高斯定律（Gauss’sLaw

3、），來解決某個帶電金屬球殼的電場問題；或嘗試以階梯算符（ladderoperator），來處理簡諧位能井（harmonicpotential）的能量問題，而忽略掉造物者遺落在自然萬物的蛛絲馬跡。儘管在16、17世紀的科學革命之後，自然科學便從哲學中分離出來；這兩門學科的本質還是密不可分的，都在探求生命與自然的根本。遺憾的是，我們從古典科學的認識，並無法對所有的大自然行為的做出合宜的解釋。正如精通古典物理的學者，並無法預言明日的天氣為何，無法對生命體與無生命體的自組織（self-organization）現象提出說明。面對如此的窘境，

4、彷彿我們熱愛科學已經脫離正途，僅能侷限地存在瑰麗的幻想世界裡。內省同樣發生在五０年代的一群科學家中。當時，主流的粒子物理學進展已遭遇瓶頸，逐漸慢了下來；他們開始厭倦了為新粒子命名的遊戲，同時對研究基本粒子的組成產生了疑慮。畢竟讓兩顆粒子繞著加速器碰撞是一回事；地球大氣的流動、心臟跳動的韻律、自然界的運行模式又是截然不同的一回事。瞭解基本粒子的特性僅能解決微觀的問題，並無法說明系統複雜的集合行為（collectivebehavior）。然而，我們親眼親身所面對的，卻是一個個「集合系統」，而非一顆顆基本粒子。因此當混沌（Chaos）研究

5、逐漸明朗之際，這一群科學家相信他們面臨物理學改朝換代的序幕。時至今日，最熱切的擁護者更強調：二十世紀突破性的科學僅有三件：相對論、量子力學與混沌理論。其中相對論否定了古典力學時間與空間的架構，量子力學粉碎了古典力學量測的定義，而混沌則是完全瓦解古典力學服膺的決定論。混沌的發展，讓終日鎖在實驗室的科學家重拾對大自然複雜現象的熱忱。他們開始研究雲的流動，-----------------------Page2-----------------------研究大氣。藉由各式嶄新的非線性分析方法，這些看似一團混亂的訊息，逐漸清晰可辦。當然，

6、它的價值並不僅於此。各式截然不同的學科，諸如數學、化學、生物學、生態學、經濟學、社會學以及地形學等等，面臨了一場革命性的跨領域整合。在化學反應中所存在的非線性方程（如B-Z反應），竟與生物族群的消長呈現相似的複雜性質。這樣的例子俯拾即是。彷彿造物者曾在萬物之中留下祂戲謔的塗鴉，而證據顯示，這些塗鴉的確存在。此外，各領域的科學家（包含社會科學）發現混沌的出現恰抗拒科學走向約化主義的趨勢，不主張用零散的組件分析來取代系統全貌。他們相信，這就是走向大家所企求的統一之路。混沌出現之後，古典科學（尋求秩序與穩定）便宣告終止。嚴格來說，混沌僅是

7、非線性科學（nonlinearscience）獨特的現象之一，其它還有諸如碎形、自組織、非線性光學等大家比較熟悉的研究課題。當然，非線性科學的研究還只是個開端。此時此刻，許多有趣的研究結果仍在各領域頂尖的期刊中雨後春筍般地出現。這條路的終點是甚麼？我們並無法加以臆度。然而，如果你對任何研究者問起這一切的起點，他一定會肯定的注視你的雙眼，告訴你關於羅倫茲(Lorenz)蝴蝶的故事。那個發生在1961年的故事。1.1.蝴蝶效應蝴蝶效應1.1.蝴蝶效應蝴蝶效應「當北平的一隻蝴蝶展翅拍動而對空氣擾動，下個月紐約也許因此產生一場暴風雪。」——

8、Lorenz——1961年，在羅倫茲的洪荒級電腦內，古典力學確切而又嚴謹的世界開始崩損毀滅。羅倫茲從小就是一位天氣迷。當別的孩子還在央求父母陪他們一起遊玩時，他已開始熱衷對屋外簡陋的溫度計進行記錄的工作。當然，他的最愛還是數學。當他一