混沌学的发展和意义

武夷山

（发表于《科技日报》1990年7月5日）

近年来，关于混沌现象(又称紊乱现象)的研究在国际上非常活跃，并引起公众的广泛兴趣。《纽约时报》著名科学记者詹姆斯·格莱克的专著《混沌：正在形成一门新科学》，在1987年刚出版就成为畅销书。有人甚至预计，混沌理论的意义将不亚于相对论与量子力学。最近，这一研究领域被正式命名为混沌学(Chaology)。

混沌学的由来 所谓混沌，就是世界上存在的各种无法预测其行为或状态的运动。对混沌现象的研究以及所形成的一套理论，使理论力学摆脱似乎已死水一潭的状况而再次成为物理学中蓬勃发展的一个领域。

许多似乎不相关的学科一直在进行本质上相似的研究，这些研究成果的协同作用促使混沌学迅速发展。例如，纯粹数学中关于微分方程解的稳定性的一些重要定理；计算机数学尤其是计算机制图学的发展(它提供了数字的“实验室”，使其它手段无法企及的一些数学分支再现活力)；天文学关于星系中恒星的无定轨道运动以及太阳系中小行星带的空隙的研究；化学物理学关于振动过程中小分子所含原子的运动的研究；等离子体物理学关于带电粒子在相互作用下产生聚变能过程中摆脱磁场束缚的不稳定因素的研究；加速器物理学中关于粒子束在装置中运动时的稳定性研究；流体力学关于紊流(即流体在粘滞性降低时更无规则流动的现象)的研究以及气象学领域中气象的难以预测性等，都为混沌学的开创和发展作出了贡献。

混沌学的基本问题 早在一百多年前，著名的物理学家詹姆斯·麦克斯韦就曾猜测，人类无法准确预报天气的原因，不在于还有不知道的气体动力学定律，而在于这些定律存在着固有的不稳定性——遵循相同定律的两个气象系统，起先仅有略微差异，但很快就表现出完全相异的行为。如今混沌学中最重要的观点便是，相似但不完全相同的原因，可能产生截然不同的结果。这种观点发展了传统的因果关系原理。

混沌学具有深刻的含义。几百年来，科学家(尤其是物理学家)始终认为， 检验人们是否认识一种现象，标准是看能否发现其规律从而准确作出预测。但是现在人们发现，有大量的系统，支配其行为的定律虽然已被认识，但这些系统从根本上说还是不可预测的，因为它们极其不稳定。换言之，懂得一个定律并不一定意味着就懂得它所支配的行为。人类认识到这一点，也就能认识一个常见的矛盾——我们所见的丰富和复杂的世界，与支配这个世界的惊人的简单的定律之间的矛盾。