Хаос — математический фильм, состоящий из девяти глав, по тринадцать минут каждая. Это фильм для широкой публики, посвященный динамическим системам, эффекту бабочки и теории хаоса.
1. Движение и детерминизм. Панта Рей
«Всё течет, всё движется».Так начинается первая глава «Хаоса», напоминающая нам основные идеи философа Гераклита Эфесского, который жил в конце в VI века до нашей эры. Бытие постоянно эволюционирует, вещи эфемерны, всё находится в непрерывном движении, всё порождает всё, всё — есть суть всё. Первые минуты фильма иллюстрируют эту мысль несколькими примерами из повседневной жизни, а также примерами из математического мира.
2. Векторные поля. Гонка Лего
В конце 17 века, Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646—1716) и Исаак Ньютон (1643—1727), независимо друг от друга, изобрели великолепный математический инструмент: исчисление бесконечно малых или дифференциальное и интегральное исчисление. Это — очень эффективный хрустальный шар для предсказания будущего, если исследуемая система задаётся дифференциальными уравнениями. Эта глава — введение в математический анализ в мире Лего.
3. Механика. Яблоко и Луна
В физике долгое время преобладали идеи Аристотеля. Третья глава фильма начинается с их напоминания: «У каждого объекта есть своё место, и если мы сдвинем его, он будет пытаться вернуться к нему... Всё, что нас окружает, стремится к своему естественному равновесию. Яблоко падает, поскольку такова его природа. Луна вращается вокруг Земли, потому что такова её природа.»
4. Колебания. Маятник
Как описать качающийся маятник? Его положение задаётся одним числом это угол, на который он отклоняется от вертикали. Скорость тоже задаётся числом, знак которого обозначает, вправо или влево движется маятник. Без трения маятник колебался бы вечно. Галилео Галилей заметил это в юном возрасте. Однако, из-за трения маятник по прошествии какого-то времени останавливается.
5. Бильярды. Бык Дюэма
Чтобы подобраться к такому трудному вопросу, как движение небесных тел, можно сначала изучить более простые вопросы. Если движение шарика, катящегося без трения по чаше, кажется не столь трудным для понимания, то для чаши с несколькими выпуклостями это уже не так. Движение внезапно становится очень сложным.
6. Хаос и подкова. Смейл в Копакабане
Начнём со старой идеи Анри Пуанкаре (1854-1912): изучая векторное поле в пространстве, иногда мы можем найти маленький диск, который траектории время от времени пересекают. Изучать точки на диске, в которых траектории его пересекают, зачастую много проще, чем изучать векторное поле в целом. Мы переходим от динамики с непрерывным временем к динамике с дискретным временем.
7. Странные аттракторы. Эффект Бабочки
В 1963 Эдвард Лоренц (1917—2008), который интересовался проблемой конвекции в земной атмосфере, смог значительно упростить гидродинамические уравнения Навье-Стокса, знаменитые своей колоссальной сложностью. Атмосферную модель Лоренца физики называют игрушечной, так как она, возможно, имеет очень слабую связь с реальными процессами в атмосфере. Тем не менее, она очень интересна с математической точки зрения. В этой модели всего три параметра x, y и z, так что каждая точка пространства (x, y, z) символизирует состояние атмосферы.
8. Статистика. Мельница Лоренца
Зависимость будущего системы от начальных условий может выглядеть обескураживающе. Тем не менее, здесь существует положительный и конструктивный подход. Вот сообщение Лоренца, к сожалению, не столь хорошо известное широкой публике: «Но в целом, я утверждаю, что в течение лет незначительные потрясения ни увеличивают, ни уменьшают частоту возникновения различных погодных явлений, таких как ураганы. Всё, что они могут сделать — это изменить порядок, в котором происходят эти явления.»
9. Хаотическая или нет? Современные исследования
Существует много видов динамических систем. Некоторые из них сложны, другие нет. Чтобы лучше разобраться в этом, возьмём векторное поле, зависящее от одного параметра, и позволим этому параметру медленно изменяться. Мы видим, что динамическая система под влиянием изменений этого параметра иногда оказывается простой, а иногда неожиданно становится очень сложной. Как понять эти, происходящие на наших глазах, бифуркации? Какой тип поведения чаще всего встречается в природе?
Владимир Буданов, Аркадий Липкин, Алексей Семихатов
На грани безумия
Путешественник в прошлое случайно раздавил бабочку. Незначительная оплошность. Однако она повлекла катастрофические изменения в далеком будущем. Насекомое из рассказа Рэя Бредбери "И грянул гром" породило термин "эффект бабочки", широко известный в естественных науках. Сюжет писателя-фантаста стал предисловием к дискуссии экспертов о свойстве хаотических систем. В чем секреты и закономерности хаотичных явлений?
Теория хаоса вызывает в воображении картины непредсказуемой погоды, экономических крахов и бессилия науки. Но у хаоса есть захватывающая и скрытая сторона, та, которую ученые только сейчас начинают понимать. Оказывается, что теория хаоса отвечает на вопрос, на который человечество искало ответ в течение многих тысячелетий — как мы оказались здесь? В этом документальном фильме Профессор Джим Аль-Хэлили намеревается раскрыть одну из величайших тайн науки — что движет вселенную, которая начинается как пыль и в итоге заканчивается как разумная жизнь? Как действительно создается порядок из беспорядка?
«Грядущим поколениям ХХ век будет памятен лишь благодаря созданию теорий относительности, квантовой механики и хаоса... теория относительности разделалась с иллюзиями Ньютона об абсолютном пространстве-времени, квантовая механика развеяла мечту о детерминизме физических событий, и, наконец, хаос развенчал Лапласову фантазию о полной предопределенности развития систем». Эти слова известного американского историка и популяризатора науки Джеймса Глейка отражают огромную важность вопроса, который лишь вкратце освещается в статье, предлагаемой вниманию читателя. Наш мир возник из хаоса. Однако если бы хаос не подчинялся своим собственным законам, если бы в нем не было особой логики, он ничего не смог бы породить.
Сергей Курдубов расскажет, как простые уравнения приводят к сложным решениям, на примере задачи Ситникова. Вы узнаете: Какие бывают виды уравнений; Решение каких уравнений число, а каких — функция; Когда можно взять производную, а интеграл нет; Что значит «дифференциальное уравнение»; Чем занимаются ученые, если все законы известны; Когда не поможет даже самый мощный компьютер будущего.
В каждой точке плоскости нарисуем вектор. Получилось векторное поле. Будем считать, что по плоскости течёт вода, а векторы — её скорости течения в разных точках. Теперь бросим в воду несколько щепок и нарисуем траектории их движения. Получится фазовый портрет векторного поля. По картинке стало видно, что происходит со щепками: некоторые приближаются к внешнему предельному циклу, от другого цикла все щепки отдаляются. Куда ещё могут накапливаться траектории щепок (теорема Пуанкаре-Бендиксона). Как ещё могут быть устроены фазовые портреты. Также мы обсудим бифуркации: перестройки фазовых портретов, когда векторное поле слегка меняется. Будут свежие результаты и открытые вопросы.
Как менялись наши представления об аттракторах? Чего мы ожидаем от аттракторов? Предполагается, что слушатели знают определение и свойства компактных множеств в евклидовом пространстве, а также знакомы с определениями и примерами гомеоморфизмов и диффеоморфизмов. Последние определения будут даны в курсе, но лучше знать их заранее.
Лекция академика РАН, доктора физико-математических наук, председателя научного совета РАН по нелинейной динамике, зав. Сектором математической физики в Физическом институте РАН им. Лебедева, профессора Университета Аризоны (США), дважды лауреата Государственной премии, лауреата медали Дирака Владимира Евгеньевича Захарова, прочитанной 27 мая 2010 года в Политехническом музее в рамках проекта “Публичные лекции Полит.ру”.
Провернувшись несколько кругов с колесом, куда полетит камень, когда выскочит из протектора? Против направления движения мотоцикла или по направлению? Как известно, свободное движение тела начинается по касательной к той траектории, по которой оно двигалось. Касательная к циклоиде всегда направлена по направлению движения и проходит через верхнюю точку производящей окружности. По направлению движения полетит и наш камушек. Помните, как Вы катались в детстве по лужам на велосипеде без заднего крыла? Мокрая полоска на вашей спине является житейским подтверждением только что полученного результата.
«Грядущим поколениям ХХ век будет памятен лишь благодаря созданию теорий относительности, квантовой механики и хаоса... теория относительности разделалась с иллюзиями Ньютона об абсолютном пространстве-времени, квантовая механика развеяла мечту о детерминизме физических событий, и, наконец, хаос развенчал Лапласову фантазию о полной предопределенности развития систем». Эти слова известного американского историка и популяризатора науки Джеймса Глейка отражают огромную важность вопроса, который лишь вкратце освещается в статье, предлагаемой вниманию читателя. Наш мир возник из хаоса. Однако если бы хаос не подчинялся своим собственным законам, если бы в нем не было особой логики, он ничего не смог бы породить.
Провернувшись несколько кругов с колесом, куда полетит камень, когда выскочит из протектора? Против направления движения мотоцикла или по направлению? Как известно, свободное движение тела начинается по касательной к той траектории, по которой оно двигалось. Касательная к циклоиде всегда направлена по направлению движения и проходит через верхнюю точку производящей окружности. По направлению движения полетит и наш камушек. Помните, как Вы катались в детстве по лужам на велосипеде без заднего крыла? Мокрая полоска на вашей спине является житейским подтверждением только что полученного результата.