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混沌,从太极之初到蝴蝶效应

已有 3589 次阅读 2016-7-24 09:38 |个人分类:课程相关|系统分类:科普集锦| 生命科学, 蝴蝶效应, 医学, 混沌

   之前的几篇博文从“道法自然”到“造物主与混沌”,从混沌再转到蝴蝶效应,本文作一总结梳理。


我是谁?我从哪里来?我要到哪里去?千百年来,神话、宗教、科学都在试图回答这三个关于生命的终极问题。中国神话说,天地混沌如鸡子,盘古在其中;西方圣经说,起初神创造天地,地是空虚混沌,渊面黑暗,神的灵运行在水面上;科学的故事略显复杂,宇宙从奇点到大爆炸、从单纯的物理世界到原始生命、从原核生物演化到复杂的多细胞生物、从原始动物到身心合一的人。在众多科学理论中,混沌理论伴随着蝴蝶效应横空出世,十分有趣。冥冥之中有种感觉,混沌是不是那位神圣的使者,自神话、宗教故事中来,然后把科学的故事讲完呢?

法国思想家伏尔泰说过“生命在于运动”,这不仅仅是说大家要好好锻炼身体,它的真实内涵是生命的产生在于运动,运动是生命诞生的前提条件,没有物质运动就不会有生命的产生;生命的存在在于运动,运动也是生命存在的基础,要维持生命体存在,也离不开物质运动;生命的发展在于运动,运动又是生命发展的动力和源泉。

千百年来,人类努力探索世界运动的规律,从亚里士多德到牛顿、爱因斯坦等等。随着计算机的出现以及运算能力的不断提高,越来越多非线性的现象引起了科学家的兴趣。美国气象学家洛伦兹通过计算机模拟大气参数变量的变化,发表了著名的论文《决定性非周期流》,首次从数值计算中发现非线性的初值敏感性和最重要的洛伦兹奇异子,第一次系统地揭示了发生在确定性系统中(方程式组成的确定性系统)的貌似随机的不规则运动(蝴蝶形状的运动轨迹),将其命名为混沌运动,并以“蝴蝶效应”广为人知。

随后,越来越多的科学家将一些动力学过程与混沌理论联系在一起,获得了许多有意思的结论,应用到信息科学与技术、经济、工程等多个领域,例如基于神经网络的时间序列预测、智能信息处理、图像数据压缩、混沌学习和优化、电力系统短期负荷预测、经济系统动力学预测、高速转子混沌振动、切削机床混沌振动、卫星的混沌振摆等等。

更有意思的是在生命科学领域,心脏节律的混沌标志着健康,周期或规则都可能预示着疾病;在病毒感染的数学模型中,随着时间滞后效应的增加,稳定点被突破,并最终导致混沌模式的出现;在某个癌基因突变后,诱发其他基因的变化类似于蝴蝶效应;在神经传导过程中,混沌无处不在等等。这些例子不断地在提示一个观点:生命运动是混沌的

那么,如何走进混沌理论,去探究更多未知世界的秘密呢?从当前研究趋势来看,一般有三种研究方法,一是动力学系统的道路,即把混沌看做一个动力学的过程,前面几篇博文都是遵照这个思路;二是分形几何的道路,这部分内容将在后面几篇博文中重点介绍;三是概率统计的路,尤其是非线性时间序列分析。

敬请持续关注我的博客和微信公众号:“非线性科学与医学沙龙”,我们一起努力培育学科交叉的土壤,让更多的医学生懂混沌,让更多的理工科生关注医学。




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